Genom att använda en kombination av beräknings- och experimenttekniker, ett forskarlag vid University of Massachusetts Amherst ledd av molekylärbiologen Lila Gierasch har avmystifierat vägen för kommunikation mellan domäner i en familj av proteiner som kallas Hsp70s - ett toppmål för dussintals forskningslaboratorier som försöker utveckla nya läkemedel mot cancer, antibiotika och behandlingar för Alzheimers och Parkinsons sjukdomar.

Gierasch säger, "Den här gav oss en ganska vetenskaplig utmaning, eftersom alla tekniker vi vanligtvis använder för att titta på kommunikation mellan de olika domänerna i proteiner fastnar när målen är flexibla och inte styva, och interdomänlinkern i Hsp70s är mycket flexibel. Vi var tvungna att vara smarta i vår strategi." Detaljer finns i Journal of Biological Chemistry .

Som hon förklarar, värmechockproteiner i Hsp70-familjen - molekylvikt 70 - är "en riktigt viktig klass av molekylära chaperoner som har många viktiga jobb i cellen, inklusive bindning till klientproteiner för att underlätta deras veckning, eller för att hindra dem från att patologiskt aggregeras, eller för att hålla dem ovikta så att de kan passera trådliknande genom ett membran."

Hon beskriver de tre delarna av ett vikt Hsp70-protein som en nukleotidbindande domän och en substratbindande domän kopplad med en "mystisk" mellandomänlänkare, som blir en del av strukturen när en liten molekyl, adenosintrifosfat (ATP), binder till Hsp70. När ATP frigör energi för cellens användning, det ändras till adenosindifosfat (ADP). "Du kan tänka dig denna molekylära maskin som en Rube Goldberg -apparat, ", konstaterar hon. "Vi har vetat i flera år att den lilla länken som förbinder de två domänerna är viktig, och när ATP är närvarande är det en del av den kollapsade strukturen med två domäner. Men med ADP närvarande, domänerna rör sig oberoende. Länkarens roll i det här fallet var okänd, och ställde ett pussel som var mycket svårt att räkna ut. "

Inför begränsade direkta experimentella metoder för att se länkens rörelser, Gierasch och postdoktorn Charles English, samarbetar med adjungerad fakultetsmedlem Woody Sherman, även CSO för Silicon Therapeutics, Boston, genomförde en beräkningsstudie för att förstå utbudet av möjliga länkpositioner. De använde en teknik som kallas molekylär dynamik, som använder Newtons rörelseekvationer för att simulera hur atomer och molekyler rör sig. Detta fick hjälp av den enorma beräkningskraften hos grafikprocessorer och det närliggande multiuniversitetet Massachusetts Green High Performance Computing Center i Holyoke.

Gierasch säger Wenli Meng, en mästare i kärnmagnetisk resonans (NMR) tekniker, erhållit NMR-data som validerade simuleringarna. Linkern är bara 12 aminosyror lång, och Meng kunde direkt extrahera länkinformation från 636 aminosyror. "Det var ett viktigt bidrag till vårt arbete, "noterar hon." Det gav oss ett experimentellt fingeravtryck att jämföra med vad datasimuleringen sa, och vi var glada över det snäva avtalet. Kombinationen av NMR-data med våra simuleringar gjorde våra fynd mycket starkare. Integrering av flera discipliner främjar livsvetenskapsforskning som denna. "

Hon rapporterar, "Det visar sig att när du tittar på denna länk noggrant, det är som en led i en bil. "För Gierasch, som byggde om en MG från delar som doktorand, denna analogi är inte så osannolik som man kan tro. "I drivaxelmekanismen, det finns styva delar som är förbundna med fogar, och det är vad denna länk har, tre styva bitar anslutna med flexibla gångjärn. Resultatet är att de två domänerna bundna av länken har begränsad rotation i förhållande till varandra. Så denna proteinlinker är inte som en nudel eller ett stycke garn. Den är stel på vissa ställen men ändå flexibel på andra, och, för att underlätta en korrekt funktion av chaperonen, den kan vrida sig på sätt som underlättar chaperonens mekanism, men det kan inte gå överallt. "

En "oväntad bonus" tillägger hon, upptäcker att länken gjorde frekventa pauser i en ficka på den substratbindande domänen, "som ger dig en potentiell bindningsplats för att rikta in dig på ett läkemedel. Vi visste inte om den här lilla fickan innan, men nu kan vi föreställa oss ett sätt att stoppa den chaperon-assisterade vikningscykeln genom att designa en liten molekyl som kommer att binda på den platsen."

Gierasch erkänner att detta framsteg är, av sig själv, bara ett steg i en lång process, faktiskt en hon har tränat i årtionden. "Men det är så vetenskap fungerar, ett steg i taget. Med varje pusselbit du lägger in, det förtydligar den större bilden." Hon och medförfattare skriver att ökad förståelse för interdomänlänkens roll som de nu har karakteriserat "fyller ytterligare en lucka när det gäller att förstå hur dessa molekylära maskiner utför sina otaliga fysiologiska funktioner." Detta arbete borde vara användbart för forskning på Hsp70-mål för cancer, Alzheimers och Parkinsons sjukdom och utveckla nya antibiotika, lägger de till.

"Dessutom, till synes flexibla länkar är utbredda i signalmolekyler inom biologi, och vårt arbete illustrerar vikten av att studera rollerna för dessa till synes flexibla enheter på djupet. Att avgränsa deras konformationella landskap kommer att belysa hur de kan vidarebefordra information från en region av en molekyl till en annan."

Gierasch tillägger, "Det sägs att cancerceller är helt beroende av Hsp70 -talet eftersom de tillverkar många proteiner i stor mängd, och dessa chaperoner hälsar varje nysyntetiserat protein och underlättar deras antagande av en korrekt struktur, det är därför folk är så intresserade av dem. Om du hämmar dem skulle du bromsa tillväxten av cancer. Problemet är att du också skulle göra vissa andra celler sjuka." nya antibiotika kan utvecklas genom att hämma specifika bakteriella Hsp70s, och eftersom Hsp70s hjälper till att skydda celler mot proteinaggregation, hämma eller manipulera dem kan leda till nya behandlingar för de sällsynta sjukdomar som orsakas av proteinklumpning.