Enerji Bakanlığı'nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından yapılan dönüm noktası niteliğindeki bir çalışma, TRiC adı verilen küçük bir hücresel makinenin, hücrenin iskelesi ve taşıma sistemi olarak görev yapan mikrotübüllerin yapı taşı olan bir insan proteini olan tübülinin katlanmasını nasıl yönlendirdiğini ortaya koyuyor. .
Şimdiye kadar bilim insanları, şaperoninler olarak bilinen TRiC ve benzeri makinelerin pasif olarak katlanmaya elverişli bir ortam sağladığını, ancak buna doğrudan katılmadığını düşünüyordu.
Araştırmacıların tahminine göre, hücrelerimizdeki, bitki ve hayvanlardaki proteinlerin yüzde 10'a kadarı, nihai aktif şekillerine katlanmak için bu küçük bölmelerden uygulamalı yardım alıyor.
Araştırmanın baş yazarlarından biri olan Stanford Profesörü Judith Frydman, TRiC'nin yardımıyla katlanan proteinlerin çoğunun, Parkinson, Huntington ve Alzheimer hastalıkları gibi bazı kanserler ve nörodejeneratif bozukluklar da dahil olmak üzere insan hastalıklarıyla yakından bağlantılı olduğunu söyledi.
Aslında, birçok anti-kanser ilacının, hücre bölünmesi için gerçekten önemli olan tübülini ve onun oluşturduğu mikrotübülleri parçalamak için tasarlandığını söyledi. Bu nedenle, TRiC destekli tübülin katlama sürecini hedeflemek, çekici bir kanser karşıtı strateji sağlayabilir.
Ekip, on yıl süren çalışmalarının sonuçlarını 2017'de yayınlanan bir makalede bildirdi. Hücre bugün.
"Bu, 40 yıllık kariyerimde üzerinde çalıştığım en heyecan verici protein yapısı" SLAC/Stanford Profesörü Wah Chiu, kriyojenik elektron mikroskobunun (kriyo-EM) geliştirilmesinde ve kullanılmasında öncü ve SLAC'ın kriyo-EM ve biyogörüntüleme bölümünün yöneticisi olduğunu söyledi.
"20 yıl önce Judith'le tanıştığımda" dedi, "Proteinlerin katlandığını görüp göremeyeceğimizi konuştuk. Bu, insanların yıllardır yapmaya çalıştığı bir şeydi ve şimdi bunu başardık.”
Araştırmacılar, kriyo-EM ile atoma yakın çözünürlükte TRiC yönlendirmeli katlama sürecinde dört farklı adımı yakaladılar ve gördüklerini biyokimyasal ve biyofiziksel analizlerle doğruladılar.
Frydman, en temel düzeyde, bu çalışmanın TRiC'nin yardımı olmadan tübülinin neden katlanamadığına dair uzun süredir devam eden gizemi çözdüğünü söyledi: "Proteinlerin insan hücresinde nasıl katlandığını anlamanın yeni bir yolunu nihayet getirmek gerçekten oyun değiştirici."
Spagettiyi çiçeklere katlamak
Proteinler bir hücrenin yaptığı hemen hemen her şeyde temel rol oynarlar ve bunların son 3 boyutlu hallerine nasıl katlandıklarını bulmak kimya ve bilimdeki en önemli araştırmalardan biridir. Biyoloji.
Chiu'nun belirttiği gibi, "Bir protein, spagettiye benzeyen bir amino asit dizisi olarak başlar, ancak tam olarak doğru şekle sahip bir çiçeğe dönüşene kadar işlevini yerine getiremez."
1950'lerin ortalarından bu yana, proteinlerin nasıl katlandığına dair resmimiz, Ulusal Sağlık Enstitüleri araştırmacısı Christian Anfinsen'in küçük proteinler kullanılarak yaptığı deneylerle şekillendi. Küçük bir proteini açtığında, onun kendiliğinden aynı şekle geri döneceğini keşfetti ve bunun yapılmasına yönelik talimatların, proteinin amino asit dizisinde kodlandığı sonucuna vardı. Anfinsen 1972 Nobel Ödülü'nü paylaştı kimya bu keşif için.
Otuz yıl sonra araştırmacılar, özel hücresel makinelerin proteinlerin katlanmasına yardımcı olduğunu keşfettiler. Ancak yaygın görüş, bunların işlevlerinin, proteinleri sıkışıp kalmaktan veya bir araya gelmekten koruyarak kendiliğinden katlanmalarını gerçekleştirmelerine yardımcı olmakla sınırlı olduğu yönündeydi.
Şaperonin adı verilen bir tür yardımcı makine, proteinleri katlanırken içinde tutan fıçıya benzer bir bölme içerir. TRiC bu kategoriye giriyor.
TRiC odası, iki istiflenmiş halka oluşturan sekiz farklı alt birimden oluşması bakımından benzersizdir. Uzun, ince bir tübülin proteini dizisi, denizanası şeklindeki yardımcı bir molekül tarafından odanın açıklığına iletilir. Daha sonra haznenin kapağı kapatılır ve katlama işlemi başlar. Bittiğinde kapak açılır ve bitmiş, katlanmış tübülin ayrılır.
Tübülin TRiC olmadan katlanamayacağından, TRiC'nin tübülinin kendiliğinden katlanmasına pasif olarak yardım etmekten daha fazlasını yapabileceği ortaya çıktı. Peki bu tam olarak nasıl çalışıyor? Bu yeni çalışma bu soruyu yanıtlıyor ve en azından tübülin gibi proteinler için "kendiliğinden katlanma" kavramının geçerli olmadığını gösteriyor. Bunun yerine TRiC, doğru şekillendirilmiş proteine giden katlanma yolunu doğrudan düzenler.
Frydman, yapay zeka veya yapay zekadaki son gelişmelerin çoğu proteinin bitmiş, katlanmış yapısını tahmin edebilmesine rağmen, yapay zekanın bir proteinin doğru şekline nasıl ulaştığını göstermediğini söyledi. Bu bilgi, hücredeki katlanmayı kontrol etmek ve katlanma hastalıklarına yönelik tedaviler geliştirmek için temeldir. Bu hedefe ulaşmak için araştırmacıların hücrede meydana gelen katlanma sürecinin ayrıntılı adımlarını çözmeleri gerekiyor.
Hücresel bir oda görevi üstleniyor
On yıl önce Frydman, Chiu ve araştırma ekipleri TRIC odasında olup bitenleri daha derinlemesine araştırmaya karar verdiler.
"Bakterilerdeki şaperoninlerin daha basit katlanma odalarıyla karşılaştırıldığında, insan hücrelerindeki TRiC çok ilginç ve karmaşık bir makinedir." dedi Frydman. "Sekiz alt biriminin her biri farklı özelliklere sahip ve odanın içinde farklı bir yüzey sunuyor ve bunun gerçekten önemli olduğu ortaya çıkıyor."
Bilim insanları, bu eşsiz odanın iç kısmının katlama sürecini iki şekilde yönlendirdiğini keşfetti.
(Yanyan Zhao/Stanford Üniversitesi)
Haznenin kapağı bir proteinin üzerine kapandığında, iç duvarlarında elektrostatik yük alanları belirir. Tübülin protein zincirinin zıt yüklü kısımlarını çekerler ve katlamanın bir sonraki adımı için uygun şekli ve konfigürasyonu oluşturmak üzere bunları esasen duvara tuttururlar. Bu arada, oda duvarından sarkan TRiC alt birimi "kuyrukları", tübülin proteinini belirli zaman ve yerlerde yakalayıp sabitler ve stabilize eder.
Başlangıç olarak, tübülin şeridinin bir ucu duvardaki küçük bir cebe takılır ve katlanır. Daha sonra diğer uç farklı bir noktaya bağlanarak büyük bir döngü oluşturur. İlmek, ilk katlanmış alanın hemen yanına gelecek şekilde katlanır.
Üçüncü adımda, orta bölümün bir kısmı, hücrenin çalışmasına güç sağlamak için enerji depolayan ve serbest bırakan bir molekül olan GTP'nin bağlanabileceği ceplerle birlikte proteinin çekirdeğini oluşturacak şekilde katlanır.
Son olarak kalan protein bölümü katlanır. Tübülin molekülü artık harekete hazırdır.
"Katlanma dizisindeki ara aşamaların bu yapısal anlık görüntüleri, daha önce kriyo-elektron mikroskobu ile hiç görülmemişti." dedi Frydman.
Güçlü bir teknik karışımı
Ekibi, yıllar süren çalışmayı gerektiren zorlu biyokimyasal ve biyofiziksel testlerle katlanma sırasını doğruladı.
Bu sonuçların yorumlanması, araştırmacıların, kriyo-EM tarafından oluşturulan görüntülerle eşleşen, TRiC bölmesi içinde katlanırken tübülinin değişen şeklinin bir resmini oluşturmalarına olanak sağladı.
"Bu teknikler arasında ileri geri gidebilmek çok güçlü çünkü o zaman gördüğünüz şeyin hücrede olup biteni yansıttığını gerçekten bilebilirsiniz." dedi Frydman.
"Bilim, tahmin edemeyeceğim kadar ilginç bir çözümle bizi şaşırttı."
Çalışma aynı zamanda bu katlama sisteminin bitkileri, hayvanları ve insanları oluşturan ökaryotik hücrelerde nasıl evrimleştiğini anlamaya yönelik ipuçları da sunuyor; ancak bakteri ve arkeler gibi daha basit hücrelerde evrimleşmedi. Araştırmacılar, proteinlerin ökaryotik hücrelerin ihtiyaçlarını karşılamak için giderek daha karmaşık hale geldikçe, bir noktada biraz yardım almadan daha karmaşık işleri yürütmek için ihtiyaç duydukları şekillere katlanamayacaklarını öne sürüyorlar. Ökaryotik proteinler ve onların şaperonin odası muhtemelen yaklaşık 2.7 milyar yıl önce tüm ökaryotik organizmaların son ortak atasından başlayarak birlikte evrimleşmiştir.
Analizlerin karmaşıklığı ve pandemi dönemi nedeniyle çalışma o kadar uzun sürdü ki, üzerinde çalışan insanların çoğu başka işlere geçti. Bunlar arasında projenin biyokimyasal kısmını yürüten ve ileriye taşıyan Frydman'ın grubundan doktora sonrası araştırmacılar Daniel Gestaut ve Miranda Collier ile kriyo işlemini gerçekleştiren Chiu'nun grubundan Yanyan Zhao, Soung-Hun Roh, Boxue Ma ve Greg Pintilie yer alıyor. -EM analizleri. Katkıda bulunan diğer kişiler arasında Roh'un grubundaki bir öğrenci olan Junsun Park ve İsviçre'nin Zürih kentindeki ETH'den Alexander Leitner vardı.
Çalışma, NIH'den Wah Chiu ve Judith Frydman'a verilen bağışlarla ve şu anda Seul Ulusal Üniversitesi'nde yardımcı doçent olan Soung-Hun Roh'a, Kore Ulusal Araştırma Vakfı ve Suh Kyungbae Vakfı'ndan (SUHF) verilen bağışlarla desteklendi.
Dergi Referansı
- Daniel Gestaut ve diğerleri, İnsan şaperonin TRiC/CCT tarafından yönlendirilen tübülin katlama yolunun yapısal görselleştirilmesi. Hücre, 8 Aralık 2022 DOI: 10.1016 / j.cell.2022.11.014
