• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    Forskare avkodar dynamiken i den största proteinnedbrytande maskinen i atomdetaljer

    Upphovsman:CC0 Public Domain

    Protein -nanomaskiner gjorda av flera proteinmolekyler är mycket dynamiska under sina handlingar på sina funktionella mål, kallas ibland substrat. Dynamik för dessa stora protein-nanomaskiner med mer än megadalton molekylvikt är eldfast mot strukturanalys med befintlig teknik som röntgenkristallografi och kärnmagnetisk resonansspektroskopi. Kryo-elektronmikroskopi (kryo-EM), en framväxande teknik för högupplöst strukturbestämning, har potential att visualisera dynamiken i stora protein -nanomaskiner, men de befintliga cryo-EM-rekonstruktionerna av högdynamiska strukturer har begränsats till måttlig till låg upplösning.

    Forskare har länge drömt om avkodningsdynamik för stora molekylära maskiner i megadaltonstorlekar i atomdetaljer, den yttersta determinanten för deras biologiska funktioner. Nu, ett team av biofysiker från Peking University, Dana-Farber Cancer Institute och Harvard Medical School har använt cryo-EM för att visualisera dynamik på atomnivå i 2,5-megadalton-proteasomen, den största kända proteinnedbrytande maskinen i eukaryota celler, under dess kemo-mekaniska verkan på ett proteinsubstrat. De rekonstruerade ett nästan fullständigt dynamiskt förfarande för substratbehandling i den mänskliga proteasomen med en aldrig tidigare skådad upplösning som möjliggjorde bestämning av atomdetaljer i 3D, besläktat med att filma en 3D-film atom för atom.

    "Detta arbete banar väg för att studera termodynamik för megadalton -nanomaskiner med atomprecision långt ifrån jämvikt, "sa Youdong Mao, en biofysiker och motsvarande författare på ett nytt genombrottspapper publicerat i tidskriftens första nummer Natur i 2019. "Denna studie öppnar många möjligheter för strukturbaserad läkemedelsupptäckt riktad mot mänsklig proteasom för behandling av multipelt myelom och neurodegenerativa sjukdomar."

    Ubiquitin-proteasom-systemet (UPS) är den viktigaste proteinnedbrytningsvägen i celler. Det upprätthåller balansen mellan proteinmaterial i levande celler, och spelar en avgörande roll för snabb nedbrytning av regulatoriska proteiner, felveckade proteiner eller skadade proteiner. UPS är involverad i utan tvekan alla cellulära processer, såsom cellcykeln, genuttrycksreglering och så vidare. Onormal proteinmetabolism orsakad av UPS -störning är direkt relaterad till många mänskliga sjukdomar, inklusive cancer. År 2004, Aaron Ciechanover, Irwin Rose och Avram Hershko fick Nobelpriset i kemi för deras upptäckt av denna nedbrytningsväg. I hjärtat av UPS:en är proteasomen som ansvarar för nedbrytning av ubiquitin-märkta substrat. Det är en av de mest grundläggande och komplicerade gigantiska holoenzymmaskinerna i celler. Humant proteasom-holoenzym innehåller minst 33 olika underenhetstyper med en total molekylvikt på cirka 2,5 megadalton. Det är också känt som det direkta målet för flera småmolekylära läkemedel som godkänts av FDA i USA för att behandla multipelt myelom.

    Substratbehandlingsdynamiken på atomnivå för 26S proteasom visualiserad av cryo-EM. Upphovsman:Youdong Mao

    Använda cryo-EM i kombination med maskininlärningsteknik, laget bestämde dynamiska strukturer för det substrat-engagerade mänskliga proteasomet i sju mellanliggande konformationella tillstånd vid 2,8-3,6 Å upplösning, fångas under nedbrytning av ett polyubiquitylaterat protein. I denna resolution, laget kunde identifiera enstaka magnesiumjoner bundna till både ATP och ADP i cryo-EM-densitetskartorna. Dessa 3D-strukturer belyser en anmärkningsvärd spatiotemporal kontinuum av dynamiska substrat-proteasome interaktioner.

    Intressant nog, teamet fann att initieringen av substrattranslokation i stor utsträckning samordnas med andra dynamiska regleringshändelser som förbereder proteasomen för processiv substratnedbrytning. Genom ytterligare systematisk analys, teamet upptäckte hur den kemiska energin i ATP-hydrolys omvandlas till det mekaniska arbetet av substrat som utvecklas genom en mycket samordnad process av multiproteinkonformationsförändringar.

    Deras fynd ger ny inblick i den fullständiga cykeln av substratbehandling och föreslår distinkta lägen följt av ATP -hydrolys i proteasomen holoenzym. Det antas vara första gången som en fullständig cykel med sekventiell ATP-hydrolys i en AAA-ATPas heterohexamermotor visualiserades på atomnivå. Detta löser en mångårig vetenskaplig debatt om ATPase -hexamer mellan två hypoteser, en föreslår sekventiell ATP -hydrolys och den andra antar slumpmässiga hydrolytiska händelser i den hexameriska ringen. I synnerhet, laget observerade tre huvudlägen för högkoordinerad ATP -hydrolys, med hydrolytiska händelser i två motsatt placerade ATPaser, i två intilliggande ATPaser, och i en ATPase i taget. Dessa hydrolytiska lägen reglerar elegant deubikvitetsreglering, initiering av translokation, och processiv utveckling av substrat, respektive.

    Teamet noterade vissa begränsningar i denna studie, inklusive att mångfalden av nukleotidbehandlingshändelser i distinkta ATPaser under övergångar mellan på varandra följande tillstånd i proteasomen kan ha resulterat i frånvaro av snabba steg och glesbefolkade mellanliggande tillstånd i deras cryo-EM-rekonstruktioner. Teamet föreställer sig möjligheten till ytterligare undersökningar i detta avseende genom att identifiera dessa saknade mellanhänder för att klargöra hur ATP -hydrolytiska händelser och nukleotidutbyte är samordnade med varandra, och allosteriskt kopplat till substrattranslokation. "Ytterligare utveckling inom dataanalysteknik krävs för att extrahera ännu mer dynamisk information från samma dataset, "Mao sa." Det finns en lång väg att gå för datadriven maskininlärningsteknik för att helt släppa lös den potentiella kraften hos cryo-EM för att lösa komplex dynamik i megadaltonmolekylära maskiner. "


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com