Directe observaties van de structuur en het katalytische mechanisme van een prototypisch kinase-enzym - eiwitkinase A of PKA - zullen onderzoekers en medicijnontwikkelaars aanzienlijk betere mogelijkheden bieden om dodelijke ziekten en neurologische aandoeningen zoals kanker te begrijpen en te behandelen, suikerziekte, en cystische fibrose.

De ontdekking werd gedaan door een internationaal team van onderzoekers met behulp van macromoleculaire neutronenkristallografie bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en het Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankrijk. Voortbouwend op een tien jaar durend onderzoek, de gecombineerde inspanningen onthulden voorheen onbekende kenmerken van het archetypische eiwitkinase, inclusief een volledige kaart van de atomaire structuur en de onderbouwing van de chemie van het enzym dat wordt gebruikt bij cellulaire signalering. De details worden gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Kinasen zijn een grote groep van honderden enzymen die verantwoordelijk zijn voor het initiëren en reguleren van talloze cellulaire processen. Kinasen sturen signalen naar eiwitten door middel van fosforylering - het toevoegen van een reactieve chemische groep bestaande uit fosfor en zuurstof aan een specifieke locatie op een substraateiwit om zijn specifieke biologische functie te activeren.

Er ontstaan ​​problemen wanneer genmutaties ervoor zorgen dat kinasen niet goed werken, wat weer leidt tot ziekte. Een slecht functionerende kinase, of een die niet kan worden gedeactiveerd, zou verantwoordelijk kunnen zijn voor de overexpressie van eiwitten die leiden tot de oncontroleerbare verspreiding van kankercellen. Het tegenovergestelde is ook het geval bij neurologische aandoeningen waarbij een slecht functionerend kinase ervoor zorgt dat cellen doodgaan.

"Het maken van medicijnen die gericht zijn op specifieke kinasen is uiterst belangrijk, "Zei co-auteur Andrey Kovalevsky. "Dit gedetailleerde begrip van de PKA-structuur en zijn dynamiek zal ons meer vertellen over andere soorten kinasen en zou medicijnontwikkelaars moeten helpen bij het ontwerpen van nieuwe medicijnen met een betere specificiteit, wat zich uiteindelijk zou vertalen in preciezere therapieën met minder bijwerkingen."

Veranderingen in de eiwitstructuur als gevolg van mutaties kunnen moeilijk te detecteren zijn, hoewel de effecten van mutaties op het dynamische gedrag van het eiwit behoorlijk diepgaand kunnen zijn. Echter, deze dynamische gedragingen worden duidelijker door het algehele waterstofbindingsnetwerk door het eiwit te onderzoeken.

Neutronen zijn uniek gevoelig voor lichte elementen zoals waterstof. Omdat ongeveer 50 procent van alle atomen in eiwitten waterstof zijn, en de meeste chemische reacties die enzymen katalyseren, hebben betrekking op waterstof, neutronen zijn een ideale en onovertroffen sonde voor het detecteren van de posities van waterstofatomen in de eiwitstructuur en het volgen van hun beweging tijdens katalyse.

Neutronendiffractie met behulp van de IMAGINE-diffractometer bij ORNL's High Flux Isotope Reactor, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, en de LADI-III-diffractometer bij ILL stelde onderzoekers in staat om de exacte posities van waterstofatomen te zien om de volledige kinasestructuur te onthullen, evenals de protoneringstoestanden van alle aminozuren in PKA en de liganden gebonden aan de actieve plaats, waarvan vele voorheen onbekend waren.

"Met neutronen konden we röntgenvoorspellingen van waterstofatoomposities valideren, evenals het bepalen van de protoneringstoestanden van chemische groepen die niet bekend waren, of op plaatsen waar we ze niet verwachtten te vinden. Deze belangrijke chemische vooruitgang maakt de weg vrij voor meer geavanceerde moleculaire modellering en simulatiestudies van de structuur en functie van proteïnekinase, " zei corresponderende auteur Susan Taylor.

"Neutronen bieden een ongekend beeld van het waterstofbrugnetwerk rondom en binnen de actieve site van PKA en geven cruciale inzichten over hoe allosterische overdracht van informatie door de eiwitstructuur plaatsvindt, " voegde co-auteur Gianluigi Veglia toe. "De combinatie van neutronenkristallografie met nucleaire magnetische resonantiespectroscopie zal een uitgebreid begrip opleveren van hoe enzymen werken."