Zagadka molekularna rozwiązana – naukowcy z Harvardu odkryli nieznany wcześniej sposób rozkładania białek przez komórki

Mechanizm ten rozkłada krótkotrwałe białka, które wspierają funkcjonowanie mózgu i układu odpornościowego

Białka krótkotrwałe kontrolują ekspresję genów w komórkach i pełnią krytyczne role, od wspomagania komunikacji mózgowej po wzmacnianie odpowiedzi immunologicznej organizmu. Białka te powstają w jądrze komórkowym i po spełnieniu swojego celu ulegają szybkiemu rozkładowi.

Przez dziesięciolecia mechanizm rozkładu tych niezbędnych białek i ich usuwania z komórek pozostawał dla badaczy tajemnicą aż do teraz.

W ramach współpracy międzywydziałowej naukowcy z Harvard Medical School zidentyfikowali białko zwane medullinuliną, które odgrywa kluczową rolę w degradacji kilku krótkotrwałych białek jądrowych. Badanie pokazuje, że medulina dokonuje tego poprzez bezpośrednie wychwytywanie białek i wciąganie ich do komórkowego systemu usuwania odpadów, zwanego proteasomem, gdzie ulegają one zniszczeniu.

Wyniki opublikowano niedawno w czasopiśmie Nauki.

„Te szczególnie krótkotrwałe białka są znane od ponad 40 lat, ale nikt nie ustalił, w jaki sposób faktycznie ulegają degradacji” – powiedział współautor Shen Guo, pracownik naukowy w dziedzinie neurobiologii w HMS.

Ponieważ białka rozkładane w tym procesie modulują geny pełniące ważne funkcje związane z mózgiem, układem odpornościowym i rozwojem, naukowcom być może w końcu uda się obrać ten proces za sposób kontrolowania poziomu białek w celu zmiany tych funkcji i skorygowania wszelkich nieprawidłowości.

„Mechanizm, który odkryliśmy, jest bardzo prosty i bardzo elegancki” – dodał współautor Christopher Nardoni, doktorant z genetyki w HMS. „To fundamentalne odkrycie naukowe, ale ma ono wiele konsekwencji na przyszłość”.

Zagadka molekularna

Powszechnie wiadomo, że komórki mogą rozkładać białka, wiążąc je z małą cząsteczką zwaną ubikwityną. Znacznik informuje proteasom, że białka nie są już potrzebne, i niszczy je. Wiele pionierskich badań nad tym procesem przeprowadził nieżyjący już Fred Goldberg z HMS.

Czasami jednak proteasom rozkłada białka bez pomocy znaczników ubikwityny, co prowadzi badaczy do podejrzeń o inny niezależny od ubikwityny mechanizm proteolizy.

„W literaturze naukowej istniały rozproszone dowody na to, że proteasom może w jakiś sposób bezpośrednio rozkładać nieoznakowane białka, ale nikt nie rozumiał, jak to się mogło stać” – powiedział Nardoni.

Jedną z grup białek, która wydaje się być degradowana w wyniku alternatywnego mechanizmu, są czynniki transkrypcyjne indukowane bodźcami: białka, które są szybko syntetyzowane w odpowiedzi na bodźce komórkowe docierające do jądra komórkowego, aby włączyć geny, po czym są szybko niszczone.

„To, co początkowo mnie zaskoczyło, to fakt, że te białka są bardzo niestabilne i mają bardzo krótki okres półtrwania – gdy zostaną wyprodukowane, spełniają swoje zadanie, a potem bardzo szybko ulegają degradacji” – powiedział Joe.

Te czynniki transkrypcyjne wspierają szereg ważnych procesów biologicznych w organizmie, ale nawet po dziesięcioleciach badań „mechanizm ich obrotu pozostaje w dużej mierze nieznany” – powiedział Michael Greenberg, profesor neurobiologii Nathan March Posey w HMS Blavatnik Institute i Harvard. Uniwersytet. . Współautor tego artykułu wraz ze Stephenem Eledgem, Gregorem Mendelem, profesorem genetyki i medycyny w HMS oraz Brigham and Women’s Hospital.

Od kilku do setek

Aby zbadać ten mechanizm, zespół zaczął od dwóch znanych czynników transkrypcyjnych: Fos, który był szeroko badany w laboratorium Greenberga pod kątem jego roli w uczeniu się i zapamiętywaniu, oraz EGR1, który bierze udział w podziale i przeżyciu komórek. Korzystając z najnowocześniejszej proteomiki i analiz genetycznych opracowanych w laboratorium Elledge, naukowcy skupili się na medulinie jako białku, które pomaga rozkładać oba czynniki transkrypcyjne. Dalsze eksperymenty wykazały, że oprócz Fos i EGR1 medulina może również brać udział w degradacji setek innych czynników transkrypcyjnych w jądrze.

Gu i Nardone pamiętają, że byli zszokowani i sceptyczni co do wyników. Aby potwierdzić swoje ustalenia, zdecydowali, że muszą dokładnie wiedzieć, w jaki sposób medulina celuje i degraduje wiele różnych białek.

„Kiedy zidentyfikowaliśmy wszystkie te białka, pojawiło się wiele kuszących pytań dotyczących tego, jak faktycznie działa mechanizm rdzeniinolenowy” – powiedział Nardoni.

Przy pomocy A nauczanie maszynowe Korzystając z narzędzia o nazwie AlphaFold, które przewiduje struktury białek, a także wyników serii eksperymentów laboratoryjnych, zespół był w stanie wyjaśnić szczegóły mechanizmu. Wykazali, że medulina ma „domenę wychwytującą” – region białka, który wychwytuje inne białka i dostarcza je bezpośrednio do proteasomu, gdzie są rozkładane. Ta domena catch składa się z dwóch oddzielnych, połączonych regionów Aminokwasy (pomyśl o rękawiczkach na sznurku), które wychwytują stosunkowo nieustrukturyzowany region białka, umożliwiając medulinie wychwytywanie wielu różnych typów białek.

Godne uwagi są białka takie jak Fos, które są odpowiedzialne za aktywację genów, które powodują, że neurony w mózgu łączą się i przebudowują w odpowiedzi na bodźce. Inne białka, takie jak IRF4, aktywują geny wspierające układ odpornościowy, zapewniając komórkom zdolność do tworzenia funkcjonalnych limfocytów B i T.

„Najbardziej ekscytującym aspektem tego badania jest to, że rozumiemy teraz nowy ogólny mechanizm niezależny od ubikwitylacji, który degraduje białka” – powiedział Elledge.

Kuszący potencjał tłumaczeniowy

W perspektywie krótkoterminowej badacze chcą głębiej poznać odkryty mechanizm. Planują przeprowadzić badania strukturalne, aby lepiej poznać najdrobniejsze szczegóły dotyczące wychwytywania i degradacji białek. Produkują także myszy pozbawione medinuliny, aby zrozumieć rolę tego białka w różnych komórkach i na etapach rozwoju.

Naukowcy twierdzą, że ich odkrycia mają kuszący potencjał translacyjny. Może zapewnić ścieżkę, którą badacze będą mogli wykorzystać do kontrolowania poziomów czynników transkrypcyjnych, modulując w ten sposób ekspresję genów i, z kolei, powiązane procesy w organizmie.

„Degradacja białek jest procesem krytycznym, a jej deregulacja leży u podstaw wielu zaburzeń i chorób” – powiedział Greenberg, w tym niektórych schorzeń neuropsychiatrycznych, a także niektórych rodzajów nowotworów.

Na przykład, gdy komórki zawierają za dużo lub za mało czynników transkrypcyjnych, takich jak Fos, mogą pojawić się problemy z uczeniem się i pamięcią. W szpiczaku mnogim komórki nowotworowe uzależniają się od białka odpornościowego IRF4, więc jego obecność może podsycać chorobę. Naukowcy są szczególnie zainteresowani identyfikacją chorób, które mogą być dobrymi kandydatami do opracowania terapii działających poprzez szlak proteasomu manduliny.

„Jednym z obszarów, który aktywnie badamy, jest dostosowanie specyficzności mechanizmu, aby mógł on specyficznie analizować interesujące nas białka” – powiedział Gu.

Odniesienie: „Szlak proteasomu medullinoleiny wychwytuje białka w celu degradacji niezależnej od ubikwitylacji” autorstwa Shen Guo, Christophera Nardoni, Nolana Kamitaki, Oyo Mao, Stephena J. Eledge i Michaela E. Greenberg, 25 sierpnia 2023 r., dostępne tutaj. Nauki.
doi: 10.1126/science.adh5021

Finansowanie pochodziło ze stypendium National Mah Jongg League Fellowship od Damon Runyon Foundation for Cancer Research Fellowship, National Science Foundation Graduate Research Fellowship oraz Narodowy Instytut Zdrowia (T32 HG002295; R01 NS115965; AG11085).