Kryo-EM-Studie zeigt, dass der Zinktransporter über einen eingebauten selbstregulierenden Sensor verfügt

Wissenschaftler am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben die Struktur eines Zinktransporterproteins auf atomarer Ebene bestimmt, einer molekularen Maschine, die den Gehalt dieses wichtigen Spurenmetall-Mikronährstoffs in Zellen reguliert. Wie in einem gerade veröffentlichten Artikel beschrieben NaturkommunikationDie Struktur zeigt, wie das Zellmembranprotein seine Form ändert, um Zink aus der Umgebung in eine Zelle zu befördern, und diese Aktion vorübergehend automatisch blockiert, wenn der Zinkspiegel in der Zelle zu hoch wird.

„Zink ist für viele biologische Aktivitäten wichtig, aber zu viel Zink kann ein Problem sein“, sagte Qun Liu, der Biophysiker des Brookhaven Lab, der das Projekt leitete. „Im Laufe der Evolution haben sich verschiedene Organismen auf vielfältige Weise entwickelt, um Zink zu regulieren. Aber niemand hat gezeigt, dass ein Transporter, der die Aufnahme von Zink aus der Umwelt steuert, seine eigene Aktivität regulieren kann. Unsere Studie ist die erste, die einen Zinktransporter mit einem solchen zeigt.“ ein eingebauter Sensor.“

Die Forschung wurde im Rahmen der Quantitative Plant Sciences Initiative (QPSI) des Brookhaven Lab durchgeführt. Mithilfe einer bakteriellen Version eines Zinktransporters, der wesentliche Merkmale mit Zinktransportern in Pflanzen teilt, gewannen die Wissenschaftler wichtige Erkenntnisse über die Funktionsweise dieser Proteine.

„Diese Forschung ist Teil unserer Bemühungen, zu verstehen, wie Mikronährstoffe wie Zink von Pflanzen aufgenommen werden, damit wir verstehen können, wie wir Pflanzen entwerfen können, die besser in der Lage sind, auf Grenzflächen für die Produktion von Bioenergie zu wachsen“, sagte John, Leiter der Biologieabteilung des Brookhaven Lab Shanklin, ein Co-Autor des Artikels.

Die Forschung könnte auch Möglichkeiten zur Entwicklung von Nahrungspflanzen mit erhöhtem Zinkgehalt aufzeigen, um ihren Nährwert zu verbessern, stellten die Wissenschaftler fest.

Kryo-EM plus Berechnung

Um die Proteinstruktur zu lösen, nutzte das Brookhaven-Team Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) am Laboratory for BioMolecular Structure (LBMS). Mit dieser Technik können Wissenschaftler viele verschiedene Konformationen eines Proteins anstelle einer einzelnen, kristallisierten Form untersuchen. Das ist wichtig, weil Proteine ​​in der Natur dynamisch und nicht statisch sind; Teile davon bewegen sich.

„Kryo-EM erfordert keine Proteine, um Kristalle zu bilden, sodass wir tatsächlich dynamische Schritte erfassen können, die mit der Röntgenkristallographie, einer anderen Technik zur Untersuchung von Proteinstrukturen, möglicherweise nicht möglich wären“, sagte Liu. „Im Wesentlichen können wir mit Kryo-EM mehr Bilder des ‚Films‘ erfassen, um eine Struktur zu erhalten, die für das Verständnis der biologischen Funktion eines Proteins sehr hilfreich ist.“

Um die vielen Variationen in der Struktur zu verstehen, benötigen die Wissenschaftler leistungsstarke Rechenwerkzeuge. Dazu gehören Ansätze der künstlichen Intelligenz, die maschinelles Lernen nutzen, von denen einige Liu entwickelt hat. Mithilfe dieser Algorithmen können die Wissenschaftler Millionen von Kryo-EM-Bildern halbautomatisch auswählen und sortieren, um Gruppen von Strukturen mit Ähnlichkeiten zu finden. Die Methode ermöglicht es ihnen, die höchstmögliche Auflösung zu erreichen und so Details der Struktur auf atomarer Ebene aufzudecken.

Für diese Studie enthüllte dieser Kryo-EM-Ansatz Schlüsselmerkmale einer Stufe eines ZIP-Zinktransporters (Zrt-/Irt-like-Protein), der zeigt, wie er seine eigene Zinkaufnahmeaktivität abhängig davon reguliert, wie viel Zink bereits in der Zelle vorhanden ist .

„Unsere neuen Daten veranlassten uns, die bisherigen Ansichten über die Funktionsweise dieses Proteins zu revidieren“, sagte Liu.

Zum Einsteigen neigen, zum Anhalten spüren

Ein früherer Bericht, der auf Röntgenkristallographie und Koevolutionsanalysen basierte, deutete darauf hin, dass der Transporter als eine Art „Aufzug“ für den Transport von Zink fungieren könnte. Die neue Forschung zeigt, wie Wechselwirkungen mit Zink auf beiden Seiten der Zellmembran die Bewegung von Teilen des Proteins auslösen, um Zink in die Zelle zu transportieren – und, was entscheidend ist, seinen Eintritt zu blockieren, wenn die Konzentrationen im Inneren zu hoch werden.

„Unsere Schlüsselstruktur zeigt, dass sich das überschüssige Zink an eine Schleife auf der Innenseite der Membran bindet, wenn der Zinkspiegel in der Zelle auf ein bestimmtes Niveau ansteigt – über das hinaus, was zur Deckung des Zellbedarfs erforderlich ist“, sagte Liu. „Wenn sich diese flexible Schleife dann neu ausrichtet, faltet sie sich wieder zusammen und bindet sich auf eine Weise, die verhindert, dass Zink in die Zelle gelangt.“

„Es ist fast so, als würde der Stöpsel in den Abfluss einer Badewanne stecken und ihn verstopfen“, fügte Shanklin hinzu.

Die Wissenschaftler haben auch herausgefunden, wie sich andere Teile des Proteins bewegen, um den Eintritt von Zink zu ermöglichen.

Wenn der Zinkgehalt in der Zelle niedrig ist, fällt Zink aus dem Schleifenteil und der Stopfen springt wieder aus dem Transporter. Zink aus der Umgebung kann in den Transporter gelangen. Im Inneren des Transporters bewirkt das Zink, dass sich ein Teil der Proteinmaschine nach oben bewegt und neigt, wodurch der Ausgang zur Außenumgebung verschlossen wird. Sobald das Zink in die Zelle gelangt, wird die Maschine wieder in Betrieb genommen.

„Unsere Kryo-EM-Struktur ist die erste, die zeigt, wie diese Schleifendomäne des Proteins die Aktivität des Transporters durch Rückkopplung abhängig vom Zinkspiegel moduliert“, sagte Liu.

Es ist auch die erste Struktur, die zeigt, dass dieser Zinktransporter eine Anordnung zweier identischer Proteine ​​ist – ein sogenanntes Dimer. „Für die Arbeit sind zwei Moleküle erforderlich“, sagte Liu.

Die Wissenschaftler glauben, dass die Tatsache, dass zwei Moleküle in Form eines Dimers agieren, möglicherweise mit seiner Funktion oder Stabilität zusammenhängt – was sie mit zukünftigen Computersimulationen der Zusammenarbeit der Moleküle untersuchen werden.

„Diese Forschung könnte neue Wege zur Entwicklung von Zinktransportern in Mikroben und Pflanzen ermöglichen, um deren Wachstum unter Bedingungen zu optimieren, in denen der Zinkgehalt zu niedrig oder zu hoch ist, möglicherweise auf Randgebieten für die Produktion von Bioenergie und Bioprodukten“, sagte Liu.