Eine Studie über Pflanzenenzyme zeigt, dass Proteine ​​ihre strukturelle Anordnung überraschend leicht ändern können

Wenn Sie an Proteine ​​denken – die Enzyme, Signalmoleküle und strukturellen Komponenten in jedem Lebewesen –, denken Sie vielleicht an einzelne Stränge von Aminosäuren, die wie Perlen an einer Schnur angeordnet sind. Aber fast alle Proteine ​​bestehen aus mehreren Strängen, die gefaltet und aneinander gebunden sind und komplizierte 3D-Überstrukturen bilden, die als molekulare Anordnungen bezeichnet werden. Einer der wichtigsten Schritte zum Verständnis der Biologie ist die Entdeckung, wie ein Protein seine Aufgabe erfüllt, was eine Kenntnis seiner Strukturen bis auf die atomare Ebene erfordert.

Im vergangenen Jahrhundert haben Wissenschaftler erstaunliche Technologien wie Röntgenkristallographie und Kryo-Elektronenmikroskopie entwickelt und eingesetzt, um die Proteinstruktur zu bestimmen, und damit unzählige wichtige Fragen beantwortet. Aber neue Arbeiten zeigen, dass das Verständnis der Proteinstruktur manchmal komplizierter sein kann, als wir denken.

Eine Gruppe von Forschern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) untersuchte das am häufigsten vorkommende Protein der Welt, ein Enzym namens Rubisco, das an der Photosynthese beteiligt ist, und zeigte, wie die Evolution zu einer überraschenden Vielfalt molekularer Anordnungen führen kann, die alle die gleiche Aufgabe erfüllen. Die heute veröffentlichten Ergebnisse in Wissenschaftliche Fortschritteoffenbaren die Möglichkeit, dass viele der Proteine, die wir zu kennen glaubten, tatsächlich in anderen, unbekannten Formen existieren.

Historisch gesehen konnten Wissenschaftler, wenn sie eine Struktur lösten und feststellten, dass ein Protein dimer (aus zwei Einheiten zusammengesetzt) ​​war, annehmen, dass ähnliche Proteine ​​auch in einer dimeren Form existierten. Aber kleine Probengröße und Stichprobenverzerrung – unvermeidliche Faktoren, da es sehr schwierig ist, natürlicherweise flüssige Proteine ​​in feste, kristallisierte Formen umzuwandeln, die mittels Röntgenkristallographie untersucht werden können – verschleierten die Realität.

„Es ist, als ob Sie nach draußen gehen und jemanden sehen würden, der mit seinem Hund spazieren geht, wenn Sie noch nie einen Hund gesehen haben und dann einen Wiener Hund sehen, würden Sie denken: ‚Okay, so sehen alle Hunde aus.‘ Aber was Sie tun müssen, ist in den Hundepark zu gehen und die ganze Hundevielfalt zu sehen, die es dort gibt“, sagte Hauptautor Patrick Shih, Fakultätswissenschaftler im Bereich Biowissenschaften und Direktor für Design von Pflanzenbiosystemen am Joint BioEnergy Institute (JBEI). „Eine Erkenntnis aus diesem Artikel, die über Rubisco hinausgeht, zu allen Proteinen, ist die Frage, ob wir die wahre Vielfalt der Strukturen in der Natur sehen oder nicht, oder ob diese Vorurteile den Anschein erwecken, als ob alles wie ein Würstchen aussieht.“

In der Hoffnung, all die verschiedenen Rubisco-Anordnungen im metaphorischen Hundepark zu erkunden und zu erfahren, woher sie kommen, arbeitete Shihs Labor mit Experten für Strukturbiologie der Bioscience Area zusammen, die die Advanced Light Source von Berkeley Lab verwendeten. Gemeinsam untersuchte das Team eine Art von Rubisco (Form II), die in Bakterien und einer Untergruppe photosynthetischer Mikroben vorkommt, unter Verwendung traditioneller Kristallographie – einer Technik, die eine Auflösung auf atomarer Ebene ermöglicht – in Kombination mit einer anderen Strukturlösungstechnik, der Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS), das eine geringere Auflösung hat, aber Schnappschüsse von Proteinen in ihrer nativen Form machen kann, wenn sie sich in flüssigen Mischungen befinden. SAXS hat den zusätzlichen Vorteil der Hochdurchsatzfähigkeit, was bedeutet, dass es Dutzende einzelner Proteinanordnungen in schneller Folge verarbeiten kann.

Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass der besser untersuchte Typ von Rubisco, der in Pflanzen gefunden wird (Form I), immer eine „oktamerische Kern“-Anordnung von acht großen Proteineinheiten aufweist, die mit acht kleinen Einheiten angeordnet sind, während angenommen wurde, dass Form II hauptsächlich als Dimer mit a existiert einige seltene Beispiele für Hexamere aus sechs Einheiten. Nachdem sie diese komplementären Techniken zur Untersuchung von Rubisco-Proben aus einer Vielzahl von Mikrobenarten verwendet hatten, stellten die Autoren fest, dass die meisten Rubisco-Proteine ​​der Form II tatsächlich Hexamere mit gelegentlichen Dimeren sind, und sie entdeckten ein nie zuvor gesehenes Tetramer (vier Einheiten) Montage.

Durch die Kombination dieser Strukturdaten mit den jeweiligen proteinkodierenden Gensequenzen konnte das Team eine Rekonstruktion der Ahnensequenz durchführen – eine computergestützte molekulare Evolutionsmethode, die anhand der Sequenz und des Erscheinungsbilds moderner Proteine, die sich aus ihnen entwickelt haben, abschätzen kann, wie Ahnenproteine ​​aussahen.

Die Rekonstruktion deutet darauf hin, dass sich das Gen für Form II Rubisco im Laufe seiner Evolutionsgeschichte verändert hat, um Proteine ​​mit einer Reihe von Strukturen zu produzieren, die sich leicht in neue Formen verwandeln oder zu älteren Strukturen zurückkehren. Im Gegensatz dazu führte im Laufe der Evolution selektiver Druck zu einer Reihe von Veränderungen, die Form I rubisco fixierten – ein Prozess, der als strukturelle Verschanzung bezeichnet wird – weshalb die oktamerische Anordnung die einzige Anordnung ist, die wir heute sehen. Den Autoren zufolge wurde angenommen, dass sich die meisten Proteinanordnungen im Laufe der Zeit durch selektiven Druck verfestigten, um ihre Funktion zu verfeinern, wie wir es bei Form I Rubisco sehen. Aber diese Forschung legt nahe, dass die Evolution auch flexible Proteine ​​​​begünstigen kann.

„Die große Erkenntnis aus dieser Arbeit ist, dass es viel strukturelle Plastizität gibt“, sagte Shih, der auch Assistenzprofessor an der UC Berkeley ist. „Proteine ​​könnten im gesamten Feld viel flexibler sein, als wir bisher geglaubt haben.“

Nach Abschluss der Rekonstruktion der Ahnensequenz führte das Team Mutationsexperimente durch, um zu sehen, wie die Veränderung der Rubisco-Anordnung, in diesem Fall das Aufbrechen eines Hexamers in ein Dimer, die Aktivität des Enzyms beeinflusste. Unerwarteterweise führte diese induzierte Mutation zu einer Form von Rubisco, die ihr Zielmolekül CO2 besser verwerten kann. Alles natürlich vorkommende Rubisco bindet häufig versehentlich das ähnlich große O2-Molekül, wodurch die Produktivität des Enzyms verringert wird. Es besteht großes Interesse daran, den Rubisco in landwirtschaftlichen Pflanzenarten gentechnisch zu verändern, um die Affinität des Proteins zu CO2 zu erhöhen, um produktivere und ressourceneffizientere Pflanzen zu produzieren. Es wurde jedoch viel Wert auf das aktive Zentrum des Proteins gelegt – die Region des Proteins, in der CO2 oder O2 binden.

„Das ist eine interessante Erkenntnis für uns, weil sie darauf hindeutet, dass wir, um fruchtbarere Ergebnisse beim Rubisco-Engineering zu erzielen, nicht nur die einfachste Antwort betrachten können, nämlich die Region des Enzyms, die tatsächlich mit CO2 interagiert“, sagte Erstautor Albert Liu , ein Doktorand in Shihs Labor. „Vielleicht gibt es Mutationen außerhalb dieser aktiven Stelle, die tatsächlich an dieser Aktivität beteiligt sind und möglicherweise die Proteinfunktion auf eine von uns gewünschte Weise verändern können. Das ist also etwas, das wirklich Türen für zukünftige Forschungswege öffnet.“

Co-Autor Paul Adams, stellvertretender Laborleiter für Biowissenschaften und Vizepräsident für Technologie bei JBEI, fügte hinzu: „Die Mischung der angewandten Techniken und die interdisziplinäre Natur des Teams waren ein echter Schlüssel zum Erfolg. Die Arbeit unterstreicht die Kraft der Kombination von Genomdaten und Methoden der Strukturbiologie, um eines der wichtigsten Probleme der Biologie zu untersuchen und einige unerwartete Schlussfolgerungen zu ziehen.“