Från vänster, St. Jude-forskarna Timothy Stachowski, Ph.D., vid institutionen för kemisk biologi och terapi och Marcus Fischer, Ph.D., Institutionen för kemisk biologi och terapi och strukturbiologi. Kredit:Med tillstånd från St. Jude Children's Research Hospital
Kryogena (frysta) proteinstrukturer är centrala för att förstå funktion och utveckla läkemedel. Forskare vid St. Jude Children's Research Hospital har skapat en algoritm för att avslöja när frysning av proteiner kan skapa "artefakter", - fel som orsakar missvisande resultat. Forskningen publicerades nyligen i Angewandte Chemie International Edition och betonade vikten av vattennätverk i protein-ligand-interaktioner. Fynden utmanar den vanliga uppfattningen att anta att välupplösta kryogena vattenpositioner är både exakta och korrekta.
Ligander är molekyler som binder till ett receptorprotein. När en ligand binder till ett protein kan konformationen (formen) förändras, vilket initierar olika typer av aktivitet i cellen. Protein-ligandbindning och de resulterande formförändringarna är avgörande faktorer att ta hänsyn till under läkemedelsutvecklingsarbetet.
"Om du bara tittar på kryogena data, har informationen som används för att upptäcka läkemedel inbakade artefakter som du inte skulle veta var där", säger motsvarande författare Marcus Fischer, Ph.D., St. Jude Department of Chemical Biology och Terapeutik och strukturbiologi. "Vi har utvecklat ett sätt att reda ut dessa artefakter. Genom att använda parade jämförelser mellan kryogena temperaturer och rumstemperaturer kan du peka ut delar av proteinet som påverkas av temperaturen."
Forskare använder ofta tillgängliga proteinstrukturer genom att hämta informationen från en databas som kallas Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank. Cirka 95 % av dessa strukturer fångas kryogent och modelleras sedan i databasen för enkel användning. Drogupptäckare tittar sällan noga på de råa experimentella data, som är i form av en elektrondensitetskarta. Att förhöra kartor snarare än strukturella modeller ger en opartisk metod för att avslöja dynamiska egenskaper och kryogena artefakter.
Flipper-algoritmen framhäver viktiga förändringar
Fischer och hans team utvecklade en algoritm, kallad Flipper, som tittar på råa experimentella data i elektrondensitetskartor. Flipper identifierar karttoppar (signaler) som annars skulle vara osynliga. Dessa toppar motsvarar de delar av proteiner från specifika rester som har temperaturkänsliga konformationer. Dessa rester kan ändra den relativa preferensen för ett tillstånd framför ett annat, eller "vända" i sin densitet, flytta mellan konformationer, vilket är där algoritmen fick sitt namn.
Forskarna använde denna metod för att identifiera rester som svarar på temperaturförändringar och för att spåra resterna i ett streckkodsliknande system över hela proteinet. Detta gjorde det möjligt för forskare att se hur rester inuti och utanför ligandbindningsstället reagerar på minusgrader eller värmande temperaturer.
"Med Flipper kan vi upptäcka små men viktiga förändringar i proteinstrukturer från temperatur eller andra faktorer", säger första författaren Timothy Stachowski, Ph.D., St. Jude Chemical Biology and Therapeutics. "Det är viktigt att få dessa detaljer korrekta tidigt i läkemedelsupptäcktsprocessen, annars kan forskningsansträngningar ledas vilse."
Eftersom temperatur- och vattennätverkseffekterna påverkar ett stort antal strukturer, kan fynden ha en utbredd inverkan på läkemedelsutvecklingen.
En ny uppskattning för vattennätverk
Beväpnade med sitt nya tillvägagångssätt genomförde forskarna en systematisk analys som visar vikten av vattennätverk. Vatten, en av de mest avgörande och rikligaste molekylerna på jorden, spelar en aktiv roll i processen att frysa konformationer. Detta är särskilt sant vid protein-ligand-bindningsställen.
"Detta är första gången som vi systematiskt har visat vikten av temperatur på vattennätverk för att modulera det ligandbindande gränssnittet, vilket är där biologi händer," sa Fischer. "Vatten ignoreras ofta i läkemedelsupptäcktsprocessen, men vi har visat att förutom att ha en djupgående effekt på ligandbindning, påverkar vatten även rester av bindningsstället och fångar dem i positioner som skiljer sig beroende på temperaturen."
Flipper och det konformationella streckkodssystemet som underlättar jämförelser av olika ligander vid olika temperaturer är fritt tillgängligt för att göra det möjligt för andra forskare att identifiera sådana mönster i sina egna datamängder. + Utforska vidare
