Het meest voorkomende molecuul in celmembranen is het lipide fosfatidylcholine (PC, algemeen bekend als lecithine); overeenkomstig, de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de synthese ervan zijn essentieel. Onderzoek gepubliceerd in het nummer van 4 mei van de Tijdschrift voor biologische chemie gebruikten computersimulaties om inzicht te krijgen in hoe een van deze enzymen de pc-productie activeert en afsluit. Deze resultaten kunnen onderzoekers helpen begrijpen waarom kleine veranderingen in dit enzym kunnen leiden tot aandoeningen zoals blindheid en dwerggroei.

Rozemarijn Cornell, een professor in moleculaire biologie en biochemie aan de Simon Fraser University in Canada, bestudeert het enzym CTP:phosphocholine cytidylyltransferase, of CCT. CCT bepaalt de snelheid van pc-productie in cellen door te binden aan celmembranen met een laag pc-gehalte. Wanneer gebonden aan membranen, het CCT-enzym verandert van vorm op een manier die het mogelijk maakt om de belangrijkste snelheidsbeperkende stap in pc-synthese uit te voeren. Wanneer de hoeveelheid PC waaruit het membraan bestaat toeneemt, de CCT valt van het membraan, en pc-productie stopt.

"Het membraan is een grote macromoleculaire reeks met veel verschillende moleculen erin, " zei Cornell. "Hoe herkent dit enzym dat 'Oh, Ik moet langzamer gaan omdat de pc-inhoud van het membraan te hoog wordt?'"

Cornell en haar projectteam - een samenwerking met Peter Tieleman en afstudeerder, Mohsen Ramezanpour aan de Universiteit van Calgary en Jaeyong Lee en Svetla Taneva, onderzoeksmedewerkers bij SFU - dachten dat het antwoord te maken moet hebben met de dynamische vormveranderingen die het enzym ondergaat wanneer het zich aan een membraan bindt. Maar deze veranderingen zijn moeilijk vast te leggen met traditionele structurele biologiemethoden zoals röntgenkristallografie, die een statische momentopname van moleculen maken. In plaats daarvan, het team gebruikte computationele simulaties van moleculaire dynamica, die informatie gebruiken over de krachten tussen elk afzonderlijk atoom in een molecuul om de banen van de bewegende delen van het enzym te berekenen.

"Hoe het eruit ziet (als je de output visualiseert) is je grote molecuul dat voor je ogen danst, Cornell zei. "We hebben de moleculaire dynamica-simulatie niet één keer opgezet, niet twee keer, maar 40 verschillende (tijden). Het kostte maanden en maanden om alleen de computationele delen te doen en nog meer maanden om de gegevens daarna te analyseren. We hebben echt veel tijd besteed toen we de gegevens eenmaal op het scherm naar deze dansende moleculen hadden gekeken."

De gesimuleerde dans van het CCT-molecuul toonde aan dat wanneer het M-domein, het deel van het enzym dat gewoonlijk aan het membraan bindt, los van een membraan, het hakt in op de actieve plaats van het enzym, voorkomen dat het zijn reactie uitvoert. Toen het vastgelopen segment uit de simulatie werd verwijderd, het team zag een dramatische buigbeweging in de aanlegplaats voor het vasthakende element, en speculeerde dat deze buiging een betere enzym-actieve plaats zou creëren voor het katalyseren van de reactie wanneer deze aan een membraan wordt bevestigd. Het team bevestigde deze mechanismen met behulp van biochemische laboratoriumexperimenten.

interessant, eerdere genetische studies hadden aangetoond dat mutaties in het gen dat codeert voor CCT verantwoordelijk zijn voor zeldzame aandoeningen zoals spondylometafysaire dysplasie met kegelstaafdystrofie, die ernstige stoornissen in de botgroei en het gezichtsvermogen veroorzaakt, maar het was niet bekend hoe deze veranderingen in het enzym tot zulke dramatische gevolgen konden leiden. Cornell hoopt dat het begrijpen van hoe het enzym werkt, onderzoekers kan helpen erachter te komen.

"Als je maar één kleine verandering in CCT hebt, hoe gaat dat hele proces van het synthetiseren van pc dan defect maken?', vraagt ​​Cornell. 'Dat is wat we nu aan het bestuderen zijn.'