Первые изображения фермента проливают свет на причину наследственного неврологического заболевания
Исследователи из WEHI получили первые молекулярные изображения фермента, который контролирует белки для их сигнализации и взаимодействия друг с другом в человеческих клетках. Это открытие может помочь раскрыть причину редкой группы наследственных нейродегенеративных заболеваний, связанных с нарушением регуляции этого фермента.
В исследовании, опубликованном в Molecular Cell, доктор Томас Коттон, доктор Бернхард Лехтенберг и их коллеги из WEHI определили первую трёхмерную (3D) структуру фермента под названием RNF216. Команда получила молекулярные «снимки» RNF216 в процессе сборки цепочек из небольшого белка убиквитина, который метит целевые белки, чтобы изменить их поведение в клетке. Они также показали, как RNF216 определяет тип формируемой убиквитиновой цепи — впервые это было объяснено.
Мутации в RNF216 связаны с синдромом Гордона-Холмса — очень редким нейродегенеративным расстройством, которое приводит к репродуктивным проблемам, двигательным нарушениям, прогрессирующему когнитивному снижению и деменции.
Пойман с поличным
Убиквитин — это небольшой белок, который присутствует в каждой клетке организма. Убиквитинлигазы присоединяют цепочки убиквитина к другим целевым белкам в клетке. Конкретный тип и природа убиквитиновой цепи влияет на поведение целевого белка: одни цепи направляют белок на разрушение, другие говорят белку переместиться внутри клетки или облегчают белок-белковую сигнализацию.
Доктор Лехтенберг пояснил, что убиквитиновые цепи — это инструкции, сообщающие, как должен вести себя белок.
«Убиквитинирование белков регулирует практически все аспекты поведения клетки в человеческом теле. Понимание того, как формируются разные типы цепей убиквитинлигазами, чрезвычайно важно и — в долгосрочной перспективе — может позволить нам разрабатывать лекарства, влияющие на клеточное поведение», — сказал он.
В этой работе его команда изучала RNF216 — убиквитинлигазу, которая, как известно, собирает K63-связанные убиквитиновые цепи.
«Убиквитинлигазы — это ферменты, которые химически связывают убиквитин с целевыми белками. K63-связанные цепи отвечают за передачу сигналов или коммуникацию между белками внутри клеток», — сказал доктор Лехтенберг.
«В этой статье мы получили первое в истории изображение RNF216, а также застали его в процессе формирования этих K63-связанных убиквитиновых цепей. Мы смогли разработать молекулярную схему белка на нескольких ключевых стадиях, чтобы раскрыть биохимические реакции, которые позволяют ему рекрутировать убиквитин и формировать эти цепи».
Изменение поведения
Доктор Коттон сообщил, что команда также впервые показала, как другой фермент «суперзаряжает» активность RNF216, значительно увеличивая производство убиквитиновых цепей и обеспечивая формирование исключительно K63-связанных цепей.
«После того как мы определили кристаллические структуры с помощью Синхротрона, мы работали с нашими коллегами из протеомного центра WEHI, чтобы изучить, какие типы убиквитиновых цепей формируются», — сказал он.
«Мы обнаружили кое-что действительно интересное. Другой регуляторный фермент «переключает» белок RNF216, заставляя его предпочтительно формировать K63-связи; фактически, он образует почти исключительно такие связи. Таким образом, действие регуляторного фермента не только увеличивает связывание убиквитина с RNF216 и эффективность формирования цепей, но и направляет тип создаваемых убиквитиновых связей — своего рода молекулярная «тонкая настройка», которая улучшает специфичность или «качество» цепи.
«Мы понятия не имели, что это происходит, для меня это, пожалуй, самое интересное открытие», — сказал доктор Коттон.
Загадка неврологического заболевания
Геном человека кодирует около 600–700 убиквитинлигаз, и всё большее число генетических заболеваний связывают с нарушением регуляции убиквитинлигаз, включая RNF216, сказал доктор Лехтенберг.
«Мы до сих пор точно не знаем, к каким целевым белкам RNF216 присоединяет убиквитиновые цепи или каковы биологические последствия. Есть свидетельства, что это может быть связано с сигнализацией врождённого иммунитета, например, с ранними реакциями на вирусную и бактериальную инфекцию, а также с коммуникацией между нейронами в мозге», — сказал он.
Он добавил, что существует небольшая группа очень редких наследственных нейродегенеративных расстройств — синдром Гордона-Холмса (GHS) и болезни, подобные хорее Гентингтона, — которые связаны с мутациями в RNF216.
«GHS был впервые описан более 100 лет назад и связан с репродуктивными и неврологическими симптомами, включая двигательные расстройства, прогрессирующее когнитивное снижение и раннюю деменцию. Однако только в последние 10 лет американские исследователи изучили геномы людей с этим редким заболеванием и обнаружили мутации в RNF216», — сказал доктор Лехтенберг.
Он сообщил, что исследовательская группа воссоздала в лаборатории мутации, имитирующие генетические мутации, обнаруженные у людей с GHS.
«Мы смогли визуализировать расположение некоторых из этих важных мутаций и показать, что мутации нарушают или блокируют формирование K63-связанных убиквитиновых цепей», — сказал он.
«Теперь, когда у нас есть изображения белка в действии, мы надеемся изучить здоровые и мутировавшие формы белка в клетках, чтобы более детально понять их биологическую функцию. Это следующий шаг в нашем исследовании».