Strukturen för det kritiska kvalitetskontrollpunktenzymet som övervakar produktionen av tusentals utsöndrade glykoproteiner har lösts genom ett fruktbart samarbete på Diamond Light Source. Studien, nyligen publicerad i PNAS , fann att enzymet hade överraskande flexibilitet som gjorde det möjligt för det att anpassa sin konformation och spänna sina klientglykoproteiner.

Glykoproteiner är en riklig typ av protein som har socker som kallas glykaner fästa vid dem. För att säkerställa att glykoproteiner är korrekt vikta, de måste granskas av ett kvalitetskontrollenzym som kallas UDP-glukos:glykoproteinglukosyltransferas (UGGT). Otroligt, enzymet har förmågan att kontrollera och detektera felveck i tusentals proteiner av alla olika former och storlekar, men mekanismen för denna imponerande bedrift har ännu inte avslöjats. Detta viktiga enzym har studerats under de senaste 25 åren, men dess struktur har gäckat alla som har arbetat med den hittills.

Dra till utmaningen, en samlad insats gjordes av akademiker vid University of Oxford och National Research Council of Italy, tillsammans med personal på Diamond, för att slutligen bestämma strukturen och lösa mysteriet med detta gåtfulla enzym. Strukturen löstes med hjälp av Macromolecular Crystallography beamline (I04-1) och kryo-elektronmikroskopi (EM) vid det toppmoderna Electron Bio-Imaging Center (eBIC) båda vid Diamond.

Teamet såg att UGGT hade sju underenheter snarare än de fyra som förväntades från sekvensen, och att det var väldigt flexibelt. Dessa egenskaper skulle göra det möjligt för enzymet att vara mycket promiskuöst, eftersom den kunde anpassa sin konformation för att passa de proteiner den kontrollerar. Dessa fascinerande upptäckter kan underlätta utformningen av nya UGGT-hämmare som kan försämra veckningen av virus för att behandla infektioner eller kan frigöra aktiva och ändå kvarhållna proteiner för att behandla sällsynta medfödda sjukdomar.

Undvikande enzym

Glykoproteiner utgör en enorm andel av proteininnehållet i celler. Majoriteten av utsöndrade proteiner är glykosylerade och till och med virus kapar denna väg för att vikas korrekt för att sprida sin infektion. Den kritiska guvernören för glykoproteinernas vikningskvalitet är UGGT, ett enzym på 170 kDa som finns i alla eukaryoter, från jäst till fisk till fåglar och däggdjur. UGGT fungerar som gatekeeper för glykoproteiner genom att flagga alla som är felveckade och förhindrar att de frisätts i förtid från det endoplasmatiska retikulumet. Även om UGGT är utbrett, dess struktur och funktion har gäckat forskare i 25 år. Dess spännande promiskuitet för att kontrollera tusentals glykoproteiner i olika former och storlekar har väckt stor uppmärksamhet.

Forskare från University of Oxford, Institute of Sciences of Food Production och Institute of Crystallography vid National Research Council, Italien, tillsammans med ett team från eBIC på Diamond inledde en banbrytande strukturstudie för att fördjupa sig i UGGT:s inre funktioner.

Ledande forskare för den gemensamma ansträngningen och forskare vid University of Oxford, Dr Pietro Roversi, förklarade deras motivering:"Vi ville veta hur UGGT kan vara ansvarig för att kontrollera korrektheten av vikta proteiner med tanke på att de alla är så olika. Det finns några mycket viktiga mål för UGGT, inklusive immunologiska proteiner och de som finns kvar i sällsynta medfödda sjukdomar. "

Värmebeständig UGGT

En av anledningarna till att strukturen av UGGT hade gäckat forskare så länge var på grund av dess flexibilitet. För att övervinna detta hinder, laget valde klokt att studera en form av UGGT som härrör från en termofil svamp. Proteiner från värmebeständiga källor kan ofta vara styvare, vilket betyder att denna typ av UGGT var mindre flexibel och mer mottaglig för strukturella analyser än dess mänskliga motsvarighet.

Medan kristallstrukturen löstes av Dr Roversi vid I04-1, ett expertteam från Diamond arbetade samtidigt på eBIC för att lösa cryo-EM-strukturen.

Huvudutredare för studien och professor i virologi vid University of Oxford, Nicole Zitzmann förklarade sina upptäckter:"Vi såg att UGGT bestod av fler domäner än väntat, som inte kunde ha förutsagts från sekvensen ensam. Det fanns totalt sju domäner:en katalytisk domän, två β-smörgåsar och fyra tioredoxinliknande domäner." En av de största upptäckterna var den höga flexibiliteten hos UGGT, som om det försämrades hindrade enzymet från att fungera. Det är denna flexibilitet som gör att den kan spänna och anpassa sin form för att kontrollera sitt stora antal klientproteiner.

UGGT-hämning

Förutom att främja vår grundläggande kunskap om hur detta viktiga kvalitetskontrollprotein fungerar, studien kan ge upphov till nya UGGT-hämmare. Man hoppas att motverkande av UGGT skulle kunna göra det möjligt att behandla virusinfektioner eller sällsynta medfödda störningar i proteinlagringen. En ytterligare viktig tillämpning kan vara att förbättra proteinuttryckssystem i eukaryota celler, varigenom att lossa kontrollen som UGGT utövar kan öka utbytena av utsöndrade proteiner.

Dr Roversi beskrev nästa steg för studien:"Vi vill lösa strukturen i komplex med felveckade klientglykoproteiner, men vi vill också utföra grundläggande cellbiologi för att se vilka patologiska glykoproteiner proteiner UGGT har förmågan att behålla i det endoplasmatiska retikulum, så att vi kan fastställa vilka sjukdomar detta enzym är inblandat."