Исследователи из Института Пауля Шеррера в Виллигене, Швейцария, впервые выяснили структуру важных ферментов в клетках человека, которые изменяют основные строительные блоки клеточного цитоскелета. Это показывает недостающую часть цикла, который регулирует наращивание или разрушение опорных элементов клетки. Исследуемые ферменты работают как молекулярные ножницы и могут быть вовлечены в развитие различных заболеваний, например, рака и заболеваний нервной системы. Их структурное выяснение обеспечивает подходы для разработки конкретных ингибиторов и, возможно, новых методов лечения. Исследователя добились подробного понимания структуры энзимов с помощью Swiss Light Source (SLS). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Structural & Molecular Biology.
Они придают клеткам человека их форму, играют решающую роль в делении клеток и помогают транспортировать вещества через клетку: так называемые нити микротрубочек. Задачи, которые они выполняют, настолько важны для жизни, что они находятся в клетках всех растений, животных и людей. Микротрубочки могут достигать нескольких микрометров в длину, что примерно соответствует толщине среднего человеческого волоса.
Трубчатая структура микротрубочек состоит из регулярного расположения двух строительных блоков, так называемых тубулинов (α-тубулин и β-тубулин). В здоровой клетке из этих строительных блоков постоянно образуются новые микротрубочки — и снова разрушаются. Этот процесс регулируется различными механизмами, одним из которых является так называемый тубулин-тирозин цикл. Аминокислота тирозин либо присоединяется к α-тубулину, либо отсекается от него.
Ферменты, которые присоединяют тирозин к α-тубулину, известны уже давно. Без этих ферментов нервные клетки не могут нормально соединяться в головном мозге. Ферменты, которые удаляют тирозин из α-тубулина, так называемые вазогибины, не были идентифицированы до 2017 года.
Изучение молекулярных ножниц в работе
Отрезав аминокислоту тирозин от α-тубулина, как правило стабилизирует микротрубочки. Без тирозина микротрубочки могут оставаться неповрежденными в течение нескольких часов, тогда как с тирозином, как правило, разрушаются через несколько минут.
Исследователям из Института Пауля Шеррера в Виллигене впервые удалось выяснить точную структуру двух вазогибинов и изучить, как эти ферменты удаляют аминокислоту тирозин из α-тубулина.
Для этой цели вазогибины образуют канавку в своей молекулярной структуре, которая идеально подходит для тирозинсодержащего конца α-тубулина. Для того чтобы этот активный центр точно соответствовал своей целевой структуре, ферменту также необходим активатор, так называемый «малый вазогибин-связывающий белок». «Этот белок ранее был известен только как стабилизатор вазогибинов, но не как стимулятор ферментативной реакции. Точный структурный анализ ферментативно активного центра также показывает, как должны выглядеть ингибиторы, чтобы ингибировать вазогибины.
Еще один удивительный результат, которого исследователи добились с помощью своей работы: если активность вазогибинов подавлена, возникают нарушения в развитии нервных клеток и их связей, которые похожи на те, которые наблюдаются при отсутствии их аналога, фермента, который присоединяет аминокислоту тирозин к α-тубулину. «Тонкий баланс между микротрубочками с тирозином и без него является ключом к нормальному формированию нейронов», — сказал Мишель Штайнмец, руководитель лаборатории биомолекулярных исследований в Институте Пауля Шеррера. «Наши результаты проясняют структурную основу тубулин-детирозинирования и уточняют актуальность этого процесса для развития нейронов.»
Возможный путь к новым методам лечения
Поскольку микротрубочки, помимо правильного развития нейрональных тканей, участвуют во многих других жизненно важных процессах в организме, исследования по их формированию и строению открывают новые возможности для медицины. Например, микротрубочки играют важную роль в росте опухоли и поддержании здоровых нейронов. «С нашим прояснением структуры вазогибинов в комплексе с ингибиторами мы могли бы теперь разработать новые типы лекарств против заболеваний, связанных с необычной тирозинацией тубулина, таких как некоторые виды рака или, возможно, расстройства мозга», — сказал Штайнмец.
Благодаря освещению структуры вазогибинов впервые удалось подробно описать полный тубулин-тирозиновый цикл. «Это дает нам совершенно новые возможности вмешиваться в этот цикл с помощью терапии и разрабатывать для него новые активные вещества», — говорит Сун Рюль Чой, биохимик из Института Пауля Шеррера и один из первых авторов исследования.
Для выяснения структуры вазогибинов исследователи использовали Swiss Light Source (SLS). «Мы смогли завершить нашу структурную работу примерно за пять месяцев», — сказал Цой. «Это было возможно только потому, что здесь, в Институте Пауля Шеррера, у нас есть весь необходимый опыт и инфраструктура в одном месте.»
Источник: Paul Scherrer Institute