Met behulp van een combinatie van computationele en experimentele technieken, een onderzoeksteam van de Universiteit van Massachusetts Amherst onder leiding van moleculair biologe Lila Gierasch heeft de route van interdomeincommunicatie ontraadseld in een familie van eiwitten die bekend staat als Hsp70s - een topdoelwit van tientallen onderzoekslaboratoria die nieuwe geneesmiddelen tegen kanker proberen te ontwikkelen, antibiotica en behandelingen voor de ziekte van Alzheimer en Parkinson.

Gierasch zegt, "Deze stelde ons voor een behoorlijk wetenschappelijke uitdaging, omdat alle technieken die we gewoonlijk gebruiken om naar de communicatie tussen de verschillende domeinen in eiwitten te kijken, vastlopen wanneer de doelen flexibel zijn en niet rigide, en de interdomein-linker in Hsp70s is zeer flexibel. We moesten slim zijn in onze aanpak." Details staan ​​in de Tijdschrift voor biologische chemie .

Zoals ze uitlegt, heat shock-eiwitten in de Hsp70-familie - molecuulgewicht 70 - zijn "een heel belangrijke klasse van moleculaire chaperonnes die veel belangrijke taken in de cel hebben, inclusief binding aan client-eiwitten om hun vouwing te ondersteunen, of om te voorkomen dat ze pathologisch aggregeren, of om ze opengevouwen te houden zodat ze draadachtig door een membraan kunnen gaan."

Ze beschrijft de drie delen van een gevouwen Hsp70-eiwit als een nucleotide-bindend domein en substraat-bindend domein verbonden door een "mysterieuze" interdomein linker, die onderdeel wordt van de structuur wanneer een klein molecuul, adenosinetrifosfaat (ATP), bindt aan de Hsp70. Wanneer ATP energie vrijgeeft voor gebruik door de cel, het verandert in adenosinedifosfaat (ADP). "Je kunt deze moleculaire machine zien als een Rube Goldberg-apparaat, " merkt ze op. "We weten al jaren dat de kleine linker die de twee domeinen verbindt belangrijk is, en wanneer ATP aanwezig is, maakt het deel uit van de samengevouwen structuur met twee domeinen. Maar met ADP aanwezig, de domeinen bewegen onafhankelijk. De rol van de linker in dit geval was onbekend, en stelde een puzzel die heel moeilijk te achterhalen was."

Geconfronteerd met beperkte directe experimentele methoden om de bewegingen van de linker te bekijken, Gierasch en postdoctoraal onderzoeker Charles English, in samenwerking met adjunct-faculteitslid Woody Sherman, ook CSO van Silicon Therapeutics, Boston, voerde een computationeel onderzoek uit om het bereik van mogelijke linkerposities te begrijpen. Ze gebruikten een techniek genaamd moleculaire dynamica, die de bewegingsvergelijkingen van Newton gebruikt om te simuleren hoe atomen en moleculen bewegen. Dit werd geholpen door de enorme rekenkracht van grafische verwerkingseenheden en het nabijgelegen multi-universitaire Massachusetts Green High Performance Computing Center in Holyoke.

Gierasch zegt Wenli Meng, een meester in nucleaire magnetische resonantie (NMR) technieken, verkregen NMR-gegevens die de simulaties valideerden. De linker is slechts 12 aminozuren lang, en Meng was in staat om direct linkerinformatie te extraheren uit 636 aminozuren. "Dat was een belangrijke bijdrage aan ons werk, " merkt ze op. "Het gaf ons een experimentele vingerafdruk om te vergelijken met wat de computersimulatie zei, en we waren blij met de strakke overeenkomst. De combinatie van NMR-gegevens met onze simulaties maakte onze bevindingen veel sterker. De integratie van meerdere disciplines brengt dit soort life sciences-onderzoek enorm vooruit."

Ze meldt, "Het blijkt dat als je goed naar deze linker kijkt, het is als een kruiskoppeling in een auto." Voor Gierasch, die als student een MG uit onderdelen herbouwde, deze analogie is niet zo onwaarschijnlijk als men zou denken. "In het aandrijfasmechanisme, er zijn stijve stukken verbonden door verbindingen, en dat is wat deze linker heeft, drie stijve stukken verbonden door flexibele scharnieren. Het resultaat is dat de twee domeinen die zijn vastgemaakt door de linker een beperkte rotatie ten opzichte van elkaar hebben. Dus deze eiwitlinker is niet zoals een noedel of een stuk garen. Het is op sommige plaatsen stijf en op andere flexibel, en, om de goede werking van de chaperonne te vergemakkelijken, het kan draaien op manieren die het mechanisme van de chaperonne vergemakkelijken, maar het kan niet overal heen."

Een "onverwachte bonus", voegt ze eraan toe, ontdekt dat de linker regelmatig pauzeerde bij een zak op het substraatbindende domein, "dat geeft je een potentiële bindingsplaats om met een medicijn te targeten. We wisten niet eerder van dit kleine zakje, maar nu kunnen we ons een manier voorstellen om de door een chaperonne ondersteunde vouwcyclus te stoppen door een klein molecuul te ontwerpen dat zich op die plaats zal binden."

Gierasch erkent dat deze vooruitgang, op zichzelf, slechts één stap in een lang proces, in feite een waar ze al tientallen jaren aan werkt. "Maar zo werkt wetenschap, een stap tegelijk. Met elk puzzelstukje dat je erin legt, het verduidelijkt het grotere geheel." Zij en co-auteurs schrijven dat een beter begrip van de rol van de interdomein linker die ze nu hebben gekarakteriseerd "een extra leemte opvult in het begrijpen hoe deze moleculaire machines hun talloze fysiologische functies uitvoeren." Dit werk zou nuttig moeten zijn voor onderzoek over Hsp70-doelen voor kanker, de ziekte van Alzheimer en Parkinson en de ontwikkeling van nieuwe antibiotica, ze voegen toe.

"In aanvulling, schijnbaar flexibele linkers zijn wijdverbreid in signaalmoleculen in de biologie, en ons werk illustreert het belang van het grondig bestuderen van de rollen van deze ogenschijnlijk flexibele eenheden. Het afbakenen van hun conformationele landschappen zal licht werpen op hoe ze informatie van het ene gebied van een molecuul naar het andere kunnen doorgeven."

Gierasch voegt toe, "Er wordt gezegd dat kankercellen absoluut verslaafd zijn aan Hsp70's omdat ze veel eiwitten in grote hoeveelheden maken, en deze chaperonnes begroeten elk nieuw gesynthetiseerd eiwit en vergemakkelijken hun adoptie van een juiste structuur, daarom zijn mensen er zo in geïnteresseerd. Als je ze remt, zou je de groei van kankers vertragen. Het probleem is dat je ook andere cellen ziek zou maken." nieuwe antibiotica kunnen worden ontwikkeld door remming van specifieke bacteriële Hsp70's, en omdat Hsp70's cellen helpen beschermen tegen eiwitaggregatie, het remmen of manipuleren ervan zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor de zeldzame ziekten die het gevolg zijn van eiwitklontering.