Viyana BioCenter ve UNC Tıp Fakültesi’ndeki bilim insanları, insan sağlığı ve hastalıklarında önemli bir rol oynayan istenmeyen proteinlerin bozunma için nasıl etiketlendiği de dahil olmak üzere, protein düzenlemesini yöneten hücreler arası koreografiyi ortaya çıkardı.
Bir hücrenin içindeki karmaşık moleküler yapı içerisinde proteinlerin düzenlenmesi, hastalıkları önlemek için hassas kontrol gerektirir. Bazı proteinlerin belirli zamanlarda sentezlenmesi gerekirken, bazılarının zamanında parçalanması ve geri dönüştürülmesi gerekir.
Protein bozulması, hücre döngüsü, hücre ölümü veya bağışıklık tepkisi gibi hücresel aktiviteleri etkileyen temel bir süreçtir. Bu sürecin merkezinde hücredeki bir geri dönüşüm merkezi olan proteazom bulunur.
Proteazom, ubikuitin moleküllerinden oluşan bir zincir tarafından oluşturulan bir moleküler etiket taşıyorsa proteinleri parçalar. Bu etiketi yapıştırma görevi ubikuitin ligazları olarak bilinen enzimlere düşüyor.
Zorluklar ve Modern Teknikler
Çoklu çoğaltma olarak bilinen bu sürecin, hızlı ve karmaşık doğası nedeniyle incelenmesi uzun süredir zor olmuştur. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, Viyana’daki Moleküler Biyoloji Araştırma Enstitüsü’ndeki (IMP), Kuzey Carolina Üniversitesi Tıp Fakültesi’ndeki bilim adamları ve işbirlikçileri, kriyo-elektron mikroskobu (kriyo-EM) ile en son teknolojiyi birleştiren bir teknik kombinasyonu kullandılar.
IMP’de grup lideri olan PhD David Haselbach şunları söyledi: “Amacımız, zaman çözümlü kriyo-EM çalışmaları aracılığıyla çoklu-ornatmayı adım adım yakalamaktı. Bu yöntem, bu süreç sırasında meydana gelen karmaşık moleküler etkileşimleri tıpkı bir stop motion filmde olduğu gibi görselleştirmemize ve parçalara ayırmamıza olanak sağladı.”
Biyokimyasal Zaman Atlaması
Dergide yayımlanan çalışma Doğa Yapısal ve Moleküler Biyoloji, hücre döngüsünü yönlendiren bir ubikuitin ligaz olan Anafaz Destekleyici Kompleks/Siklozomun (APC/C) hareketlerini araştırır. APC/C’nin ubikuitin sinyali eklemesinin ardındaki mekanizma çözülmemiş bir bilmece olarak kaldı. Haselbach ve North Carolina Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde farmakoloji profesörü olan Nicholas Brown, PhD, eş-kıdemli yazarlardır.
UNC-Chapel Hill’de doktora sonrası farmakoloji araştırmacısı olan ilk yazar Tatyana Bodrug, “APC/C’nin temel yapısını, zamanla çözülen kriyo-EM için bir önkoşul olan sağlam bir kavrayışımız vardı” dedi. “Artık her adımda işlevini çok daha iyi anlıyoruz.”
Ubiquitin ligazları, farklı substratların toplanması, diğer enzimlerle etkileşime girmesi ve farklı türde ubikuitin sinyallerinin oluşturulması dahil olmak üzere birçok görevi yerine getirir. Bilim insanları ubikuitin bağlantılı proteinler ile APC/C ve onun ko-enzimleri arasındaki etkileşimleri görselleştirdiler. Çoklu-ubiquitinasyon sırasında APC/C’nin maruz kaldığı hareketleri, sinir ağları adı verilen bir derin öğrenme biçimi kullanarak yeniden yapılandırdılar. Bu, protein parçalanması araştırmalarında bir ilkti.
İşbirliği ve Gelecek Yönergeleri
APC/C, henüz bu şekilde karakterize edilmemiş olan geniş ubikuitin ligaz ailesinin (600’den fazla üye) bir parçasıdır. Küresel çabalar bu alanın sınırlarını zorlamaya devam edecek.
Aynı zamanda UNC Lineberger Kapsamlı Kanser Merkezi’nin bir üyesi olan Brown, “Çalışmamızın başarısının anahtarı diğer ekiplerle işbirliğiydi” dedi. “Şu anda Princeton ÜniversitesiEllen Zhong’un yazılım ve programlama katkıları, APC/C mekanizması hakkında yeni anlayışların ortaya çıkarılmasında önemli rol oynadı. Bu bulguların daha sonra doğrulanması, Dr. Harrison, Steimel, Hahn, Emanuele ve Zhang liderliğindeki diğer birkaç grubun yardımını gerektirdi. “Araştırmamızı bitiş çizgisine taşımak için ekip çalışması çok önemliydi.”
Bu araştırmanın önemi, doğrudan etkisinin ötesinde, ligazların düzenlenmesine yönelik gelecekteki keşiflerin önünü açarak, sonuçta birçok kanser türü gibi insan sağlığı ve hastalıklar için önemli olan protein metabolizmasını destekleyen mekanizmalar hakkında daha derin içgörüler vaat ediyor.
Referans: Tatyana Bodrug, Kaeli A. Welsh, Derek L. Bolhuis, Ethan Paulаkonis tarafından “RING E3 anafaz teşvik edici kompleks/siklozom (APC/C) ile substrat çoklu-ornatmasının zamanla çözümlenen kriyo-EM (TR-EM) analizi” , Raquel C. Martinez-Chacin, Bei Liu, Nicholas Pinkin, Thomas Bonacci, Liying Cui, Pengning Xu, Olivia Roscow, Sascha Josef Amann, Irina Grishkovskaya, Michael J. Emanuele, Joseph S. Harrison, Joshua P. Steimel, Klaus M Hahn, Wei Zhang, Ellen D. Zhong, David Haselbach ve Nicholas G. Brown, 21 Eylül 2023, Doğa Yapısal ve Moleküler Biyoloji.
DOI: 10.1038/s41594-023-01105-5