Ras-proteiner är molekylära switchar som bestämmer om och när celler delar sig inuti våra kroppar. En försämring av deras funktion kan resultera i bildandet av en tumör. Processen att koppla på och stänga av proteinerna har observerats i detalj av en forskargrupp under ledning av Prof Dr Klaus Gerwert från institutionen för biofysik vid Ruhr-Universität Bochum (RUB); med en kombination av metoder, teamet bekräftade hypotesen att Ras bindningspartner i sin bundna form inte innehåller några väteatomer i fosfatgrupperna. Den berömda Journal of Biological Chemistry har publicerat rapporten som dess omslagsartikel den 16 mars, 2018.

Möjliga orsaker till cancer

Ras-proteiner fungerar som små switchar:beroende på om de är bundna med guanosintrifosfat (GTP) eller med guanosindifosfat (BNP), de är antingen på eller av. GTP-bindningen utlöser komplexa signalvägar som leder till kärnan där de initierar celldelning. Senare, Ras-proteiner deaktiveras genom att klyva bort en fosfatgrupp från den bundna guanosintrifosfatmolekylen och generera guanosindifosfat.

Om denna process hämmas, till exempel på grund av mutationer i Ras-proteinet, Ras förblir i sitt aktiva tillstånd, och den pågående celldelningen kan leda till bildandet av en tumör. "Mer än 30 procent av alla tumörer bär på en mutation av Ras-proteinet, " förklarar Dr. Daniel Mann från forskargruppen. "Därför, klyvningsreaktionen av GTP i Ras är nyckeln för att förstå många typer av cancer."

Hur många väteatomer?

För att förstå GTP-klyvningsreaktioner i Ras, forskarna behöver en exakt bild av utgångspunkten, dvs de måste veta hur Ras-bound GTP ser ut. Detta inkluderar frågan om de tre fosfatgrupperna i GTP-molekylen innehåller några väteatomer, eftersom de fungerar som syror och, till exempel, bära en väteatom när den löses i vatten.

Dock, det är för det mesta inte möjligt att mäta väte direkt med konventionella metoder som röntgenkristallografi. Det finns en avsevärd skillnad mellan de kemiska reaktionerna av GTP-klyvning med eller utan bundet väte. Det har allmänt antagits att fosfatgrupperna i GTP-bundet Ras är fria från väteatomer. Detta antagande är dock inte baserat på direkta mätningar, men om tolkningen av förändringar i de uppmätta infraröda och kärnmagnetiska resonansspektrumen.

Vanligt antagande tvivlade

Nya neutrondiffraktionsanalyser av GTP-analogen GppNHp har utlöst tvivel i denna universellt accepterade hypotes. I processen, bevis har dykt upp för att GTP trots allt kan innehålla väteatomer. "Detta har utmanat alla föreställningar om GTP-klyvning hittills, " säger biträdande professor Dr. Carsten Kötting.

3D-filmer med subatomär upplösning

RUB-forskarna har utfört ytterligare mätningar, för att registrera både de infraröda spektrumen för GppNHp som används i neutrondiffraktion och spektrumen för den naturliga GTP i Ras. Således, det var möjligt att göra en direkt jämförelse med neutrondiffraktion, samt en jämförelse med en miljö som liknar den mänskliga cellens. "De uppmätta infraröda data gör det möjligt för oss att avkoda molekylära reaktioner med högsta temporala och rumsliga upplösning, ", utarbetar Klaus Gerwert. "Men, informationen är kodad i infraröda spektra och är därför svår att tolka."

RUB-forskarna använder en process för avkodning som underlättar beräkningen av experimentella data såsom infraröda spektra och kärnspinnspektra som samlats in genom simuleringar av kopplad kvantmekanik/molekylär mekanik. "Om de beräknade spektra överensstämmer med de spektra som uppmätts i experiment, vi kan översätta figurerna vi mätte i experiment till tredimensionella filmer, säger Daniel Mann.

Hypotes bekräftad

Filmerna har en upplösning som är mindre än en tiondel av atomdiametern. "Dessa exakta resultat har gjort det möjligt för oss att äntligen bestämma det exakta protonationstillståndet för GTP bundet till Ras-proteiner:GTP-fosfatgrupperna bär verkligen inga väteatomer, avslutar Klaus Gerwert.