undangömt inuti cellmembran, en molekylär slaktare gör bud på friska celler men också av sjukdomar. Det har fungerat ur klar syn, men forskare riktade bara en mäktig strålkastare på det.

Slaktaren är ett vanligt enzym som kallas presenilin, som hackar långa proteinbyggstenar ner till användbara kortare längder. Den finns i membranutrymmen som undviker lätt experimentell upptäckt, men i en ny studie, forskare vid Georgia Institute of Technology och Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har belyst presenilin med hjälp av en neutronstråle som produceras av världens mest kraftfulla forskningskärnreaktor.

"En tredjedel av vårt genom går till arbete för att koda för intramembranproteiner, sa Raquel Lieberman, en docent vid Georgia Techs School of Chemistry and Biochemistry. "Några av dem är enorma och gör superkomplex biokemi."

Speciellt enzymet presenilin är ett intramembranproteas. Det finns fyra klasser av dessa, och de behövs, bland annat, för:Varning för och försvar mot smittare, och celldifferentiering och utveckling.

Om de två sistnämnda går fel, som kan leda till cancer.

Kornig neutronmugshot

Nu, forskarna har fått en bild av ett intramembranprotein, presenilinet. Tekniskt talat, forskarna arbetade med en presenilin kusin som finns i mikrober - M. marisnigri intramembrane aspartyl protease eller MmIAP – men här kommer vi att använda presenilin och MmIAP omväxlande för enkelhetens skull.

Mätningen var lågupplöst men avslöjade tillräckligt för att fastställa att proteinstrukturen är enklare sammansatt än vad man tidigare trott, och det förvånade forskarna.

"Vårt prov visar att detta är en monomer i sig själv, " sa Lieberman. "Vi väntade oss en dimer eller en trimer." Det betyder att den bestod av en lång tråd, mestadels hoprullad som en fjäder, istället för dubblerade eller tredubblade lockiga trådar.

Presenilin (MmIAP) är beväpnad med två kemiska knivar, aspartater, som på ett tillförlitligt sätt skär ned på peptider, underenheterna som utgör proteiner. Och en andra ny studie av samma forskare belyste hur klyvningen fungerar.

Någons peptidslaktare

Presenilin kan trimma peptider till byggstenar som är användbara för sina egna celler, eller små dåliga peptidbitar som hamnar i amyloid-beta-plack, misstänkt för Alzheimers sjukdom. Eller presenilin kan hjälpa och lindra hepatit C-virus genom att skära ut komponenter som det behöver för att föröka sig.

Att förstå hur presenilin fungerar kan en dag visa sig vara användbart för medicinsk forskning. "Om du kunde hitta ett sätt att störa det selektivt, du kan stoppa spridningen av hepatit C i kroppen, " sa Lieberman.

Forskarna, ledd av Lieberman och neutronspridningsforskaren Volker Urban från ORNL, publicerade avslöjanden om neutronspridningen den 2 februari, 2018, i Biofysisk tidskrift . De nya insikterna om presenilins funktion kommer officiellt att publiceras i mars i Journal of Biological Chemistry , men är för närvarande tillgänglig online utan embargo. Första författare var Swe-Htet Naing från Georgia Tech och Ryan Oliver från Oak Ridge.

Forskningen finansierades av National Science Foundation, National Institutes of Health, och det amerikanska energidepartementet.

Valda hydrofoba gömmor

Forskarna sträckte sig efter den stora pistolen när de gick till High Flux Isotope Reactor (HFIR) för att få presenilin (MmIAP) att komma ut ur gömmorna.

HFIRs neutronstrålar kyldes till minus 253 grader Celsius (minus 424 grader Fahrenheit) för att sakta ner neutronerna, så att de kunde undersöka molekylära egenskaper hos de biologiska proverna.

Presenilin och andra intramembranproteiner motiverar sådana ökända desperata åtgärder. De lever i en lipidmiljö och hatar vatten på det sätt som katter gör, och det är ett problem för forskare som studerar dem.

"När du har proteiner som inte är lösliga i vatten, du är i trubbel, ", sa Lieberman. "De vanliga teknikerna för att analysera dem blir mycket, mycket svårt, om inte omöjligt. Och när du kemiskt startar dessa proteiner för att kunna använda dessa vattenlösliga metoder, du har verkligen dåliga chanser att se proteinets faktiska struktur som utför sin funktion."

Form följer funktion

Bilder härledda från vattenbaserade analysmetoder i Liebermans labb har inte helt hängt ihop med presenilins funktion. För en, enzymets skärytor har varit för långt ifrån varandra. Neutronstrålens avslöjanden var mer meningsfulla för forskarna.

"Vår form var tightare, och var mer vettigt med presenilins funktion i dess naturliga miljö i membranet, " sa Lieberman.

Presenilinproverna (MmIAP) som undersöktes vid HFIR suspenderades i en lösning som var vänlig mot det hydrofoba proteinet. Ironiskt, presenilin och andra intramembranproteaser hydrolyserar ofta peptider, med andra ord, de tillsätter vatten till dem.

"Dessa proteaser är begränsade till lipidcellmembranet där det inte finns något vatten. Eftersom vatten krävs för hydrolys, det måste komma från utsidan av membranet, "Sade Lieberman. "Hur det händer är ännu ett mysterium som måste avslöjas."

Robust, pålitliga choppers

Precisionen och konsekvensen, med vilken presenilinhomologen MmIAP klyvde peptider, imponerade på forskarna.

"När vi använde en modell av syntetisk peptid, det spjälkade endast vid mycket specifika positioner på peptiden, " sa Lieberman. "När vi bytte till en riktig biologisk peptid, den klyvde också väldigt exakt."

Forskarna sätter presenilinet genom olika mutationer, som hade liten eller ingen effekt på dess klyvningsförmåga. Det kan innebära att dess baslinjefunktion är nästan immun mot genetisk störning.

På en skrämmande ton, vid skärning av amyloid-beta-prekursorpeptider, forskarna observerade den mikrobiella presenilin-kusinen, MmIAP, gör alltid kotletten på ett sätt ökänt för amyloids samband med Alzheimers sjukdom.

"Vi såg aldrig snittet som gjorde vad som vanligtvis ses som den "bra" amyloiden, A-beta-40, ", sa Lieberman. "Vi såg bara skärsår som ledde till den "dåliga" amyloiden, A-beta-42."

Mer forskning skulle behövas för att förklara varför det hände; om samma sak gäller för presenilin i mänskliga cellmembran, och även om någon regulator förhindrar skapandet eller ansamlingen av så mycket dålig amyloid i friska celler.