Ορισμένες πρωτεΐνες αλλάζουν τις πτυχές τους για να εκτελούν διαφορετικές εργασίες
Οι πρωτεΐνες είναι μοριακά origami στα καλύτερά τους. Κλασικά, μια πρωτεΐνη φαντάζεται ως μια αλυσίδα αμινοξέων που αναδιπλώνεται σε μια ενιαία σταθερή διαμόρφωση, αυτή που η εξέλιξη έχει επιλέξει στο πέρασμα των αιώνων για μια συγκεκριμένη λειτουργία. Όμως, τα τελευταία χρόνια, οι βιοφυσικοί έμαθαν πόσο πολυάριθμες και εξαιρετικές είναι οι εξαιρέσεις σε αυτόν τον κανόνα — συμπεριλαμβανομένων ορισμένων πρωτεϊνών δύο όψεων που μπορούν να αναδιπλωθούν όσο χρειάζεται σε μια στιγμή.
Πρώτα ήρθε η ανακάλυψη μιας ειδικής κατηγορίας πρωτεϊνών αναδίπλωσης που έχουν περισσότερες από μία σταθερές διαμορφώσεις και μπορούν να εκτελέσουν δύο διαφορετικές λειτουργίες. Τέτοιες πρωτεΐνες μπορεί να φαίνεται απίθανο να εξελιχθούν επειδή η φυσική επιλογή για το πρώτο σχήμα και λειτουργία θα μπορούσε εύκολα να είναι επιζήμια για το δεύτερο, και το αντίστροφο. Ωστόσο, οι αναδιπλούμενες πρωτεΐνες, από τις οποίες περίπου 100 είναι γνωστές επί του παρόντος, έχουν εξελιχθεί σε όλα τα βασίλεια της ζωής και εκτελούν περισσότερους από 30 τύπους βιολογικών λειτουργιών.
«Έχουμε συνηθίσει να σκεφτόμαστε ότι οι πρωτεΐνες έχουν μια δομή, και έτσι όταν λυθεί η δομή, πιστεύουμε ότι τελειώσαμε — αυτό είναι, το πρόβλημα λύθηκε», δήλωσε η Lauren Porter, ερευνήτρια στο Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας που μελετά πρωτεΐνες αναδίπλωσης. Ωστόσο, καθώς τεχνολογίες όπως η κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία και ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός στερεάς κατάστασης έχουν γίνει διαθέσιμες, "εναλλακτικές διαμορφώσεις πρωτεϊνών εμφανίζονται όλο και περισσότερο", είπε.
Με τη βοήθεια αυτών των τεχνολογιών, οι ερευνητές έχουν βρει μερικά παραδείγματα πρωτεϊνών που ξεπερνούν την απλή ικανότητα εναλλαγής αναδίπλωσης. Αυτές οι μεταμορφωμένες πρωτεΐνες αλλάζουν γρήγορα και αναστρέψιμα από το ένα διπλωμένο σχήμα στο άλλο μέσα στους οργανισμούς. Στην πραγματικότητα, η ικανότητά τους να το κάνουν αυτό φαίνεται να είναι το κλειδί της επιτυχίας τους.
Ερευνητές στο Ιατρικό Κολλέγιο του Ουισκόνσιν έχουν τώρα ανακατασκευάσει την εξελικτική ιστορία μιας μεταμορφωμένης ανθρώπινης πρωτεΐνης που ονομάζεται XCL1. Σε ένα σχήμα, δρα ως μόριο σηματοδότησης που ονομάζεται χημειοκίνη, δεσμεύοντας τους υποδοχείς των λευκών αιμοσφαιρίων και στρατολογώντας τους για την καταπολέμηση λοιμώξεων. Αλλά μπορεί εύκολα να αλλάξει σε ένα δεύτερο σχήμα που σκοτώνει τους βακτηριακούς εισβολείς ως αντιβιοτικό.
Δακτυλικά αποτυπώματα αρχαίων πτυχών
Οι ερευνητές του Ουισκόνσιν αποφάσισαν να μάθουν πώς εξελίσσονται οι μεταμορφωμένες πρωτεΐνες εξετάζοντας το XCL1 πιο προσεκτικά. Από τις 46 πρωτεΐνες χημειοκίνης στον άνθρωπο, η XCL1 είναι η μόνη που εμφανίζει μεταμόρφωση. Τα άλλα σταθεροποιούνται από ισχυρούς δισουλφιδικούς δεσμούς που κλειδώνουν τα πρωτεϊνικά τους μόρια σε μια σταθερή πτυχή. Αλλά κατά τη διάρκεια της εξελικτικής ιστορίας του XCL1, ένας από τους δισουλφιδικούς δεσμούς χάθηκε, επιτρέποντας την εμφάνιση μιας δεύτερης διαμόρφωσης.
Για να ανασυνθέσουν πώς συνέβη αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν βιοπληροφορική για να συμπεράνουν τις προγονικές αλληλουχίες για περίπου 550 χημειοκίνες στα σημερινά ζώα. Η Acacia Dishman, μια μεταπτυχιακή φοιτήτρια, εισήγαγε τις συμπερασθείσες αλληλουχίες DNA σε βακτήρια για να αναστήσει τις προγονικές πρωτεΐνες. Στη συνέχεια τα καθάρισε, μέτρησε τις βιοφυσικές ιδιότητές τους και έλεγξε τις δομές τους με πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό για τα διακριτικά «δαχτυλικά αποτυπώματα» των πρωτεϊνικών πτυχών.
Ο Dishman διαπίστωσε ότι ο αρχαιότερος πρόγονος είχε μια ενιαία σταθερή πτυχή, αυτή που ήταν κοινή σε όλες τις χημειοκίνες. Σε πρωτεΐνες από λίγο αργότερα στην ανακατασκευασμένη εξελικτική ακολουθία, εντόπισε δύο δακτυλικά αποτυπώματα, ένα για την προγονική πτυχή αλλά και ένα για μια νεότερη πτυχή, αν και η νέα πτυχή παρέμεινε σπάνια. Παραδόξως, λίγο αργότερα στην εξελικτική ακολουθία, οι πρωτεΐνες έδειξαν το αντίθετο:Διπλώθηκαν κυρίως στη νέα διαμόρφωση και μόνο σπάνια στην προγονική διαμόρφωση. Τέλος, στο σύγχρονο XCL1, οι δύο διαμορφώσεις ήταν περίπου ίσες, διαπίστωσε ο Dishman.
Το γεγονός ότι οι πρόγονοι εμφάνισαν τις δύο πτυχές άνισα ενώ το σύγχρονο XCL1 εμφανίζει και τα δύο σε ίση αναλογία υποδηλώνει έντονα ότι η ιδιότητα μεταγωγής «δεν είναι ατύχημα ή τεχνούργημα. Είναι κάτι που πρέπει να ήταν ωφέλιμο και να βελτίωσε τη φυσική κατάσταση του οργανισμού, επειδή φάνηκε να επιλέχθηκε», δήλωσε ο Brian Volkman, βιοφυσικός και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, η οποία δημοσιεύτηκε στο Science την 1η Ιανουαρίου.
Τα πλεονεκτήματα της αστάθειας
Αλλά γιατί η μεταμόρφωση θα ήταν καλύτερη από το να έχεις δύο εξειδικευμένες πρωτεΐνες; Οι επιστήμονες θεωρητικοποιούν στην εργασία τους για μερικές συνδεδεμένες πιθανότητες. Εάν μια μεμονωμένη πρωτεΐνη μπορεί να κάνει διπλό καθήκον, γλιτώνει το κύτταρο από τη μεταγραφή, τη μετάφραση και τη διατήρηση περισσότερων του ενός γονιδίων. Αλλά το πιο επιτακτικό πλεονέκτημα μπορεί να είναι ότι η ικανότητα της πρωτεΐνης να μετασχηματίζεται μπορεί να δώσει στο σώμα έναν πιο δυναμικό τρόπο ελέγχου της άμυνάς του έναντι των βακτηρίων.
Επειδή το XCL1 μπορεί να υιοθετήσει τις δύο διπλωμένες μορφές του με ίσες πιθανότητες, μπορεί να εναλλάσσεται μεταξύ τους πιο γρήγορα από μία φορά ανά δευτερόλεπτο. Αλλά οι αλλαγές στη θερμοκρασία ή τη συγκέντρωση άλατος ή η εισαγωγή εταίρων δέσμευσης μπορεί να αλλάξει αυτή την ισορροπία. Για παράδειγμα, γύρω από τα μικροβιακά παθογόνα, περισσότερες από τις πρωτεΐνες XCL1 κολλούν στη διαμόρφωση που αλληλεπιδρά με τις μικροβιακές μεμβράνες, μετατοπίζοντας την ισορροπία προς αυτή την πτυχή. Σε άλλα σημεία του σώματος, η πρωτεΐνη μπορεί να υιοθετήσει την άλλη πτυχή πιο συχνά και να συνδεθεί με τους υποδοχείς των λευκών αιμοσφαιρίων για να τα κινητοποιήσει.
«Αυτό είναι πλεονεκτικό, επειδή η πρωτεΐνη μπορεί να μεγιστοποιήσει τη σωστή λειτουργία στο σωστό μέρος και τη σωστή στιγμή», είπε ο Dishman. "Αυτή η χωρική και χρονική ρύθμιση των λειτουργιών που βασίζεται σε μια αλλαγή στη διπλωμένη δομή θα μπορούσε να είναι ένας λόγος για την εξέλιξη των μεταμορφωτικών πρωτεϊνών."
Η μεταμόρφωση αναδίπλωσης επιτρέπει επίσης στο σώμα να εξαλείψει μια ανεπιθύμητη λειτουργία απλώς αναστρέφοντας τη δομή της πρωτεΐνης στην άλλη διαμόρφωση, αντί να χρειάζεται να περιμένει την αποικοδόμηση της πρωτεΐνης. "Αυτό έχει την κομψότητα της απλότητας", είπε ο Volkman.
Τα επιχειρήματα για αυτά τα φαινομενικά πλεονεκτήματα μπορεί να φαίνονται τόσο πειστικά που εγείρουν το ερώτημα γιατί η XCL1 είναι η μόνη χημειοκίνη που εξέλιξε τη μεταμορφική αναδίπλωση. Οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι αυτό είναι ακόμα ένα μυστήριο.
Ο Dishman είναι ιδιαίτερα ενθουσιασμένος με τις δυνατότητες σχεδιασμού μεταμορφωμένων πρωτεϊνών που θα μπορούσαν να έχουν βιοϊατρικές και άλλες εφαρμογές. Εργάζεται με τον David Baker στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον για το σχεδιασμό μεταμορφωμένων πρωτεϊνών που δεν φαίνονται στη φύση. Οι πρωτεΐνες που μπορούν να υιοθετήσουν δύο διαφορετικές καταστάσεις δημιουργούν ουσιαστικά έναν δισταθή διακόπτη, ο οποίος θα μπορούσε να είναι χρήσιμος για κάθε είδους πράγματα, όπως συσκευές μνήμης, κινητήρες ή αισθητήρες, λέει ο Baker.
Η πρόβλεψη και ο σχεδιασμός της δομής των πρωτεϊνών έχουν προχωρήσει αλματωδώς την τελευταία δεκαετία, αλλά οι περισσότερες από αυτές τις προσπάθειες στόχευαν στο σχεδιασμό αλληλουχιών αμινοξέων που αναδιπλώνονται σε μια ενιαία θερμοδυναμικά σταθερή, στερεά πέτρα δομή. Αντίθετα, «αν σχεδιάζετε μια πρωτεΐνη και θέλετε να είναι μεταμορφωμένη, πρέπει να βεβαιωθείτε ότι την κάνετε σχετικά ασταθή, έτσι ώστε να ξεδιπλωθεί και ενδεχομένως να ενεργοποιηθεί ένα σχετικά γρήγορο χρονικό πλαίσιο, εξήγησε ο Volkman. /P>
Ο Baker πρόσθεσε ότι είναι αρκετά δύσκολο να σχεδιαστεί μια αλληλουχία αμινοξέων που υιοθετεί μια ενιαία κατάσταση χαμηλής ενέργειας. Ο υπολογισμός μιας που μπορεί να υιοθετήσει δύο διαφορετικές καταστάσεις χαμηλής ενέργειας με περίπου ίσες πιθανότητες είναι ακόμη πιο δύσκολος. Αλλά δεδομένου του πόσο χρήσιμοι θα μπορούσαν να είναι αυτοί οι δισταθεροί διακόπτες, «ο σχεδιασμός πρωτεϊνών με πολλαπλές καταστάσεις χαμηλής ενέργειας θα είναι πραγματικά σημαντικός», είπε. "Πιστεύω ότι αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό σύνορο για την επιστήμη των πρωτεϊνών."
