Kleine Proteine namens Ferredoxine spielen eine zentrale Rolle in den wichtigsten Stoffwechselwegen, der Reihe chemischer Reaktionen, die innerhalb einer Zelle ablaufen.
Ein Forscherteam von Skoltech, MIPT, dem Institut für Bioorganische Chemie der Nationalen Akademie der Wissenschaften von Belarus (IBOCH NAS) und dem Institut für Biomedizinische Chemie der RAS hat die Strukturen von Ferredoxinen aus dem Tuberkelbazillus und ihren Komplexen mit einem Partner untersucht Proteine. Die Ergebnisse des Teams werden dazu beitragen, Ziele für neue Anti-Tuberkulose-Medikamente zu finden. Die Studie kam heraus Grenzen in den molekularen Biowissenschaften.
Ferredoxine, die einen Eisen-Schwefel-Cluster enthalten, gehören zu den ältesten Proteinen der Erde. Sie sind für die Kohlendioxidreduktion, die Atmung und andere zelluläre Prozesse im Zusammenhang mit der Elektronenübertragung verantwortlich. Unterschiedliche Aminosäurezusammensetzungen und Eisen-Schwefel-Clusterstrukturen erklären die große Vielfalt von Ferredoxinen, die verschiedene Funktionen in menschlichen Zellen und denen anderer Organismen erfüllen.
Obwohl Wissenschaftler die Gene vieler Ferredoxine entdeckt und beschrieben haben, sind ihre Proteinpartner – die Moleküle, mit denen sie interagieren – und die Interaktionsmechanismen für viele Ferredoxine immer noch unklar.
Bei der Betrachtung von Mycobacterium tuberculosis, in dessen Genom fünf Ferredoxine kodiert sind, stellten die Forscher fest, dass sich zwei 3Fe-4S-Ferredoxine neben den Genen von P450-Cytochromen befinden, Proteinen, die an wichtigen intrazellulären Reaktionen beteiligt sind und sich als potenzielle Ziele für neue Anti-Tuberkulose herausstellen Drogen. Eine solche Gennähe könnte auf eine funktionelle Beziehung zwischen Ferredoxinen und Cytochromen hindeuten. Und tatsächlich benötigen Cytochrome, um richtig zu funktionieren, Elektronen, die von Proteinpartnern, Ferredoxinen, geliefert werden.
Andrey Gilep, ein Forschungswissenschaftler am IBOCH NAS, kommentiert: „Wir haben die Eigenschaften von zwei tuberkulösen Ferredoxinen, Fdx und FdxE, und die Bindung von FdxE an CYP143 untersucht.“
Die Forscher erhielten die Strukturen von Fdx, CYP143, und ihrem Komplex, FdxE-CYP143, mithilfe von Kristallographie. Nachdem sie die Strukturen von Ferredoxinen analysiert hatten, identifizierten sie die Elemente, die an der Bindung von Proteinpartnern beteiligt sind, und berechneten den Elektronenübertragungsweg.
Es wurde festgestellt, dass die FdxE- und CYP143-Gene im Genom von M. tuberculosis in unmittelbarer Nähe (im selben Operon) liegen, was darauf hindeutet, dass sie zusammen funktionieren. Um die Vermutung zu bestätigen, analysierten die Forscher ihre spezifischen Wechselwirkungen mit der Oberflächen-Plasmonen-Resonanz-Methode. Die Ergebnisse zeigten eine hohe Affinität dieser Proteine, was die Hypothese bestätigte.
Weitere Untersuchungen thermodynamischer Parameter zeigten, dass elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen die Wechselwirkung zwischen den Partnern dominieren.
Natalya Strushkevich, Assistenzprofessorin bei Skoltech Bio, erklärt: „Da wir uns bewusst waren, dass wir es mit dem mykobakteriellen Ferredoxin-Cytochrom-Paar zu tun hatten, entschieden wir uns, die Kristallstruktur des Komplexes zu erhalten. Die hochauflösende Struktur zeigte, wie die Proteine miteinander interagieren . Wir haben zahlreiche Wasserstoffbrückenbindungen und elektrostatische Kontakte entdeckt, die die Thermodynamik der Proteinkomplexbildung bestätigen. Um zu beurteilen, inwieweit die Bindung an Ferredoxin das Cytochrom beeinflusst, haben wir auch allein die Cytochromstruktur erhalten und die von der Wechselwirkung betroffenen Proteinelemente identifiziert.“
Proteine müssen kristallisiert werden, bevor die atomare Struktur untersucht werden kann. Da die Kristallisation das Molekül stark beeinflussen könnte, mussten die Forscher ihre kristallbasierten Schlussfolgerungen unter Bedingungen bestätigen, die eher für die Funktionsweise von Proteinen typisch sind.
Das Team führte Experimente durch, um zu überprüfen, wie FdxE und CYP143 in einer Lösung binden, in der Proteine in ihrem nahezu nativen Zustand vorliegen, unter Verwendung der Kleinwinkel-Röntgenstreumethode, die dazu beitrug, die Wechselwirkung zwischen Molekülen zu erfassen. So zeigten die Forscher am Beispiel von FdxE und CYP143, wie Ferredoxine und P450-Cytochrome miteinander interagieren.
Valentin Borshchevsky, stellvertretender Direktor des MIPT Research Center for Molecular Mechanisms of Aging and Age-Related Diseases, fasst zusammen: „Unsere Ergebnisse beleuchten die wesentlichen strukturellen Aspekte der Proteininteraktionen innerhalb dieser Komplexe während des Elektronentransfers. Diese Systeme sind es jedoch noch näher zu charakterisieren.“
Mehr Informationen:
Andrei Gilep et al, Strukturelle Einblicke in die Diversität von 3Fe-4S-Ferredoxinen in M. tuberculosis, hervorgehoben durch einen ersten Redoxkomplex mit P450, Grenzen in den molekularen Biowissenschaften (2023). DOI: 10.3389/fmolb.2022.1100032