Weggestopt in celmembranen, een moleculaire slager doet het bieden van gezonde cellen maar ook van ziekteverwekkers. Het heeft buiten het zicht gewerkt, maar onderzoekers schenen er gewoon een machtige schijnwerper op.

De slager is een veel voorkomend enzym, preseniline genaamd, die lange eiwitbouwstenen hakt tot bruikbare kortere stukken. Het bevindt zich in membraanruimten die experimentele detectie ontwijken, maar in een nieuwe studie, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben preseniline verlicht met behulp van een neutronenstraal die wordt geproduceerd door 's werelds krachtigste onderzoekskernreactor.

"Een derde van ons genoom gaat aan het werk om te coderen voor intramembraaneiwitten, " zei Raquel Lieberman, een universitair hoofddocent aan de School of Chemistry and Biochemistry van Georgia Tech. "Sommige van hen zijn enorm en doen een supercomplexe biochemie."

Vooral het enzym preseniline is een intramembraan protease. Er zijn vier klassen van deze, en ze zijn nodig, onder andere, voor:Alarmeren en verdedigen tegen infectoren, en celdifferentiatie en -ontwikkeling.

Als de laatste twee fout gaan, dat kan leiden tot kanker.

Korrelige neutronen mugshot

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers hebben een figuurlijke mugshot gekregen van één intramembraan eiwit, de preseniline. Technisch sprekend, de onderzoekers werkten met een preseniline-neef gevonden in microben - M. marisnigri intramembrane aspartyl protease of MmIAP - maar hier zullen we voor het gemak preseniline en MmIAP door elkaar gebruiken.

De meting had een lage resolutie, maar onthulde genoeg om vast te stellen dat de eiwitstructuur eenvoudiger in elkaar zit dan eerder werd aangenomen, en dat verraste de wetenschappers.

"Ons monster laat zien dat dit op zichzelf een monomeer is, "Zei Lieberman. "We verwachtten een dimeer of een trimeer." Dat betekent dat het uit één lange streng bestond, meestal opgerold als een veer, in plaats van verdubbelde of verdrievoudigde gekrulde lokken.

Presenilin (MmIAP) is bewapend met twee chemische messen, aspartaten, die op betrouwbare wijze knippen op peptiden, de subeenheden waaruit eiwitten zijn opgebouwd. En een tweede nieuwe studie door dezelfde onderzoekers belichtte hoe het splijten werkt.

De peptideslager van iedereen

Preseniline kan peptiden inkorten tot bouwstenen die nuttig zijn voor zijn eigen cellen, of kleine stukjes slechte peptide die in amyloïde-bèta-plaque terechtkomen, een verdachte in de ziekte van Alzheimer. Of preseniline kan hepatitis C-virussen helpen en verminderen door componenten te snijden die het nodig heeft om zich voort te planten.

Begrijpen hoe preseniline werkt, zou op een dag nuttig kunnen zijn voor medisch onderzoek. "Als je een manier zou kunnen vinden om je er selectief mee te bemoeien, u zou de verspreiding van hepatitis C in het lichaam kunnen stoppen, ' zei Lieberman.

De onderzoekers, onder leiding van Lieberman en neutronenverstrooiingswetenschapper Volker Urban van ORNL, publiceerde de onthullingen van de neutronenverstrooiing op 2 februari, 2018, in Biofysisch tijdschrift . De nieuwe inzichten in het functioneren van preseniline worden in maart officieel gepubliceerd in de Tijdschrift voor biologische chemie , maar is momenteel online beschikbaar zonder embargo. De eerste auteurs waren Swe-Htet Naing van Georgia Tech en Ryan Oliver van Oak Ridge.

Onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation, de nationale gezondheidsinstituten, en het Amerikaanse ministerie van Energie.

Hoeden van hydrofobe onderduikers

De wetenschappers reikten naar het grote kanon toen ze naar de High Flux Isotope Reactor (HFIR) gingen om preseniline (MmIAP) uit hun schuilplaats te laten komen.

De neutronenbundels van HFIR werden afgekoeld tot min 253 graden Celsius (min 424 graden Fahrenheit) om de neutronen te vertragen, zodat ze moleculaire kenmerken van de biologische monsters konden onderzoeken.

Preseniline en andere intramembraaneiwitten rechtvaardigen zulke spreekwoordelijke wanhopige maatregelen. Ze leven in een lipidenomgeving en haten water zoals katten dat doen, en dat is een probleem voor onderzoekers die ze bestuderen.

"Als je eiwitten hebt die niet in water oplosbaar zijn, jij zit in de problemen, Lieberman zei. "De gebruikelijke technieken om ze te analyseren worden heel, erg moeilijk, zo niet onmogelijk. En als je deze eiwitten chemisch opstart om deze in water oplosbare methoden te kunnen gebruiken, je hebt echt weinig kans om de werkelijke structuur van het eiwit te zien die zijn functie vervult."

Vorm volgt functie

Afbeeldingen die zijn afgeleid van analytische methoden op waterbasis in Lieberman's laboratorium, hebben niet volledig in overeenstemming gebracht met de functie van preseniline. Voor een, de snijvlakken van het enzym zijn te ver uit elkaar geweest. De onthullingen van de neutronenbundel waren logischer voor de onderzoekers.

"Onze vorm was strakker, en logischer met de functie van preseniline in zijn natuurlijke omgeving in het membraan, ' zei Lieberman.

De preseniline (MmIAP)-monsters die bij de HFIR werden onderzocht, werden gesuspendeerd in een oplossing die vriendelijk was voor het hydrofobe eiwit. Ironisch, preseniline en andere intramembraanproteasen hydrolyseren vaak peptiden, met andere woorden, ze voegen er water aan toe.

"Deze proteasen zijn beperkt tot het lipidecelmembraan waar geen water is. Omdat water nodig is voor hydrolyse, het moet van buiten het membraan komen, "Zei Lieberman. "Hoe dat gebeurt, is nog een ander mysterie dat moet worden blootgelegd."

Robuust, betrouwbare helikopters

De precisie en consistentie, waarmee de preseniline-homoloog MmIAP peptiden splitste, indruk op de onderzoekers.

"Toen we een model synthetisch peptide gebruikten, het splitste alleen op zeer specifieke posities op het peptide, Lieberman zei. "Toen we overstapten op een echt biologisch peptide, het spleet ook heel precies."

De onderzoekers lieten de preseniline verschillende mutaties ondergaan, die weinig tot geen effect had op het splijtvermogen. Dat zou kunnen betekenen dat de basisfunctie ervan bijna immuun is voor genetische interferentie.

Op een huiveringwekkende toon, bij het snijden van amyloïde-bèta-precursorpeptiden, de onderzoekers observeerden de microbiële preseniline neef, MmIAP, altijd de karbonade maken op een manier die berucht is vanwege de associatie van amyloïde met de ziekte van Alzheimer.

"We hebben nooit de snee gezien die maakte wat doorgaans wordt gezien als de 'goede' amyloïde, A-bèta-40, " zei Lieberman. "We zagen alleen snijwonden die leidden tot de 'slechte' amyloïde, A-bèta-42."

Er zou meer onderzoek nodig zijn om uit te leggen waarom dat gebeurde; als hetzelfde geldt voor preseniline in menselijke celmembranen, en ook als een of andere regulator de vorming of ophoping van zoveel slecht amyloïde in gezonde cellen verhindert.