Proteinteile müssen wackeln und wackeln, um richtig zu funktionieren, legen neue Forschungsergebnisse nahe

Wissenschaftler der Johns Hopkins Medicine berichten, dass sie die atomare Struktur von Proteinen untersucht haben, um Beweise dafür zu liefern, dass das Wackeln, Schütteln und Zittern von Proteinen eine entscheidende Rolle für ihre Funktionsfähigkeit spielt. Die Ergebnisse der Forschung können Wissenschaftlern helfen, neue Medikamente zu entwickeln, die die komplizierten „Tänze“ von Proteinen modifizieren oder stören können, um ihre Funktionen zu verändern.

Die Ergebnisse der Experimente der Forscher werden in der Ausgabe vom 15. Juli veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Proteine ​​sind organische Verbindungen mit Bauplänen, die in der DNA zu finden sind und die als „Geschäftszwecke“ der Biologie fungieren, indem sie die strukturellen Bestandteile von Geweben bilden, zusammen mit Enzymen, die chemische Veränderungen in Zellen orchestrieren.

Obwohl seit langem bekannt ist, dass Proteine ​​wackeln und sich bewegen, haben Wissenschaftler die Bedeutung dieses „Tanzens“ diskutiert, sagt Dominique Frueh, Ph.D., außerordentlicher Professor für Biophysik und biophysikalische Chemie an der Johns Hopkins University School of Medicine. „Die Art und Weise, wie Proteine ​​zur richtigen Zeit mit dem richtigen Partner interagieren – im Wesentlichen, wie sie kommunizieren – ist sehr wichtig, um ihre Funktion zu verstehen“, sagt er, „und wir haben festgestellt, dass das Wackeln von Proteinen für diese Kommunikation entscheidend ist.“

Um dieses Verständnis zu fördern, untersuchte Fruehs Team die wackelnde Wirkung des HMWP2-Proteins, einer Art Enzym namens nichtribosomale Peptidsynthetasen. Diese Enzyme bestehen aus mehreren Domänen oder verschiedenen Regionen, die wie ein Fließband zusammenarbeiten, um aus kleinen Chemikalien komplexe Naturprodukte herzustellen.

Diese Naturprodukte haben oft pharmazeutische Eigenschaften, wie Bacitracin, das in topischen antibiotischen Salben gefunden wird. Im Fall von HMWP2 ist das Produkt Yersiniabactin, ein Molekül, das Eisenmoleküle für Bakterien abfängt, darunter Escherichia coli, das bei Harnwegsinfektionen vorkommt, und Yersinia pestis, das Bakterium, das die Beulenpest verursacht.

Frueh sagt, dass das Verständnis, wie Proteindomänen zusammenarbeiten, es Wissenschaftlern ermöglichen könnte, die Domänen so zu modifizieren, dass sie neue Chemikalien produzieren.

Im Allgemeinen stellte das Team fest, dass das weit verbreitete Wackeln einer Domäne im HMWP2-Enzym einen Prozess in Gang setzt, der es der Domäne ermöglicht, sich gleichzeitig mit mehreren Partnerdomänen zu verbinden.

Um die Bedeutung der Proteinbewegung zu bestimmen, verfolgten die Wissenschaftler die Bewegung einer der Domänen von HMWP2 bis hinunter zu jedem einzelnen Atom im Molekül mithilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), einem Gerät, das starke Magnetfelder verwendet, um die molekulare Umgebung von Kernen darin zu untersuchen das Zentrum der Atome.

Obwohl NMR oft verwendet wird, um kleine Proteinstrukturen zu bestimmen, ist es schwierig, die Bewegungen innerhalb großer Proteine ​​mit dem Gerät zu verfolgen. Um diese Herausforderung zu meistern, verwendete Fruehs Team, darunter die NMR-Wissenschaftlerin Subrata Mishra, Ph.D., der Doktorand Kenneth Marincin und die Postdoktorandin Aswani Kancherla, Ph.D., Stickstoff-15 und Kohlenstoff-13 – natürlich vorkommende Formen von Stickstoff und Kohlenstoff – um zwei Domänen des HMWP2-Enzyms zu markieren und die Bewegungsänderung einer Domäne zu verfolgen, wenn eine zweite Domäne modifiziert wurde, wie es auftritt, wenn das Enzym sein Naturprodukt herstellt.

„Wir haben festgestellt, dass sich die beiden Domänen nur aneinander binden, wenn die zweite Domäne modifiziert wird, was bedeutet, dass sie sich nur bei Bedarf für die Herstellung des Produkts engagieren und Zeitverschwendung vermeiden, wenn die zweite Domäne nicht modifiziert wird“, sagt Frueh. „Irgendwie ist die erste Domäne in der Lage zu erkennen, wenn die zweite Domäne modifiziert wird, und wir wollten untersuchen, ob Bewegungen bei diesem Erkennungsprozess eine Rolle spielen.“

Sie fanden auch Bewegungsänderungen in der gesamten mit Kohlenstoff-13c markierten Domäne, nicht nur dort, wo sie an die zweite Domäne bindet, sondern auch an einer zweiten, entfernten Bindungsstelle, die von einer dritten Domäne verwendet wird.

Auf atomarer Ebene, sagt Frueh, könnten diese beiden Standorte auf HMWP2 als „weit“ voneinander entfernt angesehen werden – etwa 40 Milliardstel Meter. Und wie sie trotz ihrer Distanz interagieren, war für die Wissenschaftler besonders faszinierend.

Um zu zeigen, dass Bewegungen die Interaktion mit der entfernten Stelle und das Erfassen der Modifikation der zweiten Domäne erleichterten, konstruierten die Wissenschaftler HMWP2-Proteine ​​mit einer Mutation, die an einer Stelle der Domäne weit entfernt von den beiden von den Wissenschaftlern identifizierten Stellen auftrat. Somit blockierte die Mutation nicht direkt die Fähigkeit der Sites, mit anderen Domänen zu interagieren.

„Wir fanden heraus, dass die Proteindomäne strukturell stabil war, aber ihre gesamte Bewegung behindert war“, sagt Frueh. Der Mangel an Bewegung des mutierten Proteins beeinträchtigte seine Fähigkeit, sich an andere Domänen zu binden, selbst wenn diese modifiziert waren, so die Forscher, was zeigt, dass die Bewegungen innerhalb des Proteins notwendig waren, damit die Domänen zusammenarbeiten konnten.

Frueh merkt an, dass detaillierte Kenntnisse der Proteinbewegung von Wissenschaftlern genutzt werden könnten, die neue Medikamente entwickeln, die nicht auf die natürliche aktive Stelle eines Proteins abzielen, sondern stattdessen seine Bewegung stoppen, um es zu inaktivieren. Ein solcher Ansatz könnte mehr Spielraum bieten, um Medikamente mit weniger unerwünschten Nebenwirkungen zu entwickeln, sagt er.

Zu diesem Zweck, sagt Frueh, untersuchen die Forscher, wie Berechnungen und künstliche Intelligenz das Verständnis und die Vorhersage der Proteinbewegung verbessern können.