Kluczowe mutacje

Schematyczne przedstawienie czterech funkcjonalnie decydujących różnic strukturalnych między aktywnymi i nieaktywnymi glutredoksynami.

Porównanie czterech funkcjonalnie decydujących różnic strukturalnych między aktywnymi i nieaktywnymi glutationreduktazami.

Niemieccy badacze byli w stanie ustalić dokładne różnice strukturalne, które decydują o tym, czy białko stanie się aktywnym enzymem, czy też służy jako rusztowanie dla jonów żelaza. To odkrycie, o którym pisze czasopismo naukowe Nature Communications, zapewnia głębszy wgląd w podstawowe procesy komórkowe, takie jak synteza DNA i metabolizm żelaza.

Cztery mutacje w grupie białek nazywanych glutredoksynami decydują o tym, jak funkcjonują one w różnych obszarach, od bakterii, przez drożdże, rośliny, aż po ludzi, informują naukowcy w czasopiśmie Nature Communications.

„Te białka odgrywają kluczową rolę w istotnych szlakach metabolicznych”, wyjaśnił profesor Marcel Deponte, biochemik kierujący badaniami na Politechnice Kaiserslautern. „Zdobyte informacje na temat tych białek poszerzają nasze podstawowe zrozumienie tego, jak funkcjonuje życie.”

Istnieją dwie główne klasy białek glutredoksyn. Glutredoksyny klasy I to enzymy katalizujące ważne reakcje redoks, takie jak np. synteza podstawowych związków DNA. Glutredoksyny klasy II nie są aktywnymi katalizatorami, lecz służą jako nośniki i czujniki klastrów żelazo-siarkowych, które odgrywają istotną rolę w metabolizmie żelaza.

Podczas gdy biochemicy znają te dwie klasy od ponad 20 lat, do tej pory nie było jasne, które różnice strukturalne odpowiadają za ich różne funkcje. Marcel Deponte połączył siły z naukowcami z Uniwersytetu Saary i Uniwersytetu Dusseldorfu Heinricha Heinego, aby badać te białka w probówkach, w komórkach drożdży oraz w modelach komputerowych.

Struktury rezonansu magnetycznego jądrowego (NMR) białek ujawniły cztery obszary, które zawierały różnice lub mutacje w sekwencjach aminokwasów między klasą I a klasą II. Marcel Deponte i jego zespół chcieli dokładnie wiedzieć, jak duży wkład ma każda mutacja w przekształcenie białka w katalitycznie aktywną glutredoksynę klasy I lub nieaktywną glutredoksynę klasy II.

Aby to zmierzyć, użyli kombinacji technik modyfikacji i śledzenia. W pierwszym kroku wyprodukowali i oczyścili białka, aby móc analizować ich aktywność w teście w probówce. Zazwyczaj aktywny enzym klasy I katalizowałby lub wspierał reakcję redoks, czyli reakcję chemiczną, w której elektrony są przenoszone między cząsteczkami.

Zespół systematycznie zastępował fragmenty nieaktywnego białka klasy II odpowiednimi fragmentami z aktywnych białek klasy I i odwrotnie. Najbardziej widoczną różnicą fizyczną między tymi dwiema klasami była wydłużona pętla w nieaktywnych białkach klasy II. Po wycięciu tej długiej pętli i zastąpieniu jej krótszą pętlą z białka klasy I, zaobserwowano nieznaczny wzrost aktywności katalitycznej. W połączeniu z innymi mutacjami, aktywność białka klasy II stopniowo rosła. Naukowcy doszli do wniosku, że długa pętla działa jak wyłącznik w nieaktywnym białku klasy II, a wprowadzenie wszystkich czterech mutacji z glutredoksyn klasy I jest konieczne, aby w pełni przekształcić nieaktywne białko w aktywne. Ostatecznie udało im się przekształcić nieaktywne białka, których zadaniem jest zwykle rozpoznawanie lub przenoszenie klastrów żelazo-siarkowych, w aktywne enzymy katalizujące reakcje redoks, i odwrotnie.

„Mutacje we wszystkich czterech obszarach działają razem, aby przekształcić białko w aktywny katalizator redoks lub w białko wiążące żelazo”, wyjaśnił Marcel Deponte.

Zespół biochemików z Saary pod kierownictwem profesora Bruce'a Morgana opracował następnie test, aby sprawdzić znaczenie mutacji w żywych komórkach drożdży, potwierdzając ten sam wzorzec wyników — wszystkie cztery mutacje są niezbędne do pełnego przejścia między tymi dwiema klasami. Do tych analiz naukowcy użyli zielonej sondy fluorescencyjnej, która zmienia swoją fluorescencję, gdy wykrywa reakcje redoks. Zmiana światła sondy wskazywała, w jakim stopniu mutacja umożliwiła białku katalizowanie reakcji redoks w komórkach.

W międzyczasie grupa kierowana przez profesora Holgera Gohlke z Dusseldorfu, zajmująca się symulacjami molekularnej dynamiki za pomocą superkomputerów, potwierdziła i uzupełniła wyniki, wspierając je dodatkowymi danymi.

Podsumowując, trzy serie badań „tworzą naprawdę przekonujący obraz funkcjonowania tych białek”, mówi Marcel Deponte. „Osiągnięcie to było możliwe dzięki programowi specjalistycznemu niemieckiego funduszu badawczego (DFG), który wspiera tego rodzaju współpracę”, dodał wyjaśniająco.

Najbliższe kroki mogą obejmować badanie wpływu tych mutacji na komórki ludzkie lub zastosowanie podobnych metod badawczych do innych białek. Dzięki postępom w technologii sekwencjonowania genetycznego, rozkładano na czynniki pierwsze tysiące białek, choć naukowcy wciąż mają tylko powierzchowne zrozumienie tego, co te białka robią lub jak działają.

Oryginalna publikacja:

M. Deponte i in., „Quantitative assessment of the determinant structural differences between redox-active and inactive glutaredoxins”, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-020-15441-3 (04/2020)