De meeste mensen denken niet veel na over zink. Maar alle levende wezens hebben zink nodig om te overleven. Dit sporenelement helpt veel eiwitten om in de juiste vormen te vouwen om hun werk te doen. En in eiwitten die bekend staan ​​als enzymen, helpt zink chemische reacties te katalyseren, waaronder vele die belangrijk zijn voor het leveren van energie aan cellen. Als zink afwezig is, gedijen mensen, huisdieren en planten niet.

Dat is een van de redenen waarom biologen van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie zo geïnteresseerd zijn in dit element.

"We zijn op zoek naar manieren om bio-energiecentrales te laten groeien - ofwel planten die biobrandstoffen produceren of waarvan de biomassa kan worden omgezet in brandstof - en dit op land dat niet geschikt is voor het verbouwen van voedselgewassen", zegt Brookhaven Lab-bioloog Crysten Blaby, die ook heeft een aanvullende aanstelling aan de Stony Brook University. "Dus we zijn geïnteresseerd in strategieën die de natuur gebruikt om te overleven wanneer zink en andere micronutriënten ontbreken."

In een artikel dat zojuist is gepubliceerd in het tijdschrift Cell Reports, Blaby en haar collega's beschrijven zo'n strategie:een zogenaamd 'chaperonne'-eiwit dat zink aflevert waar het nodig is, wat vooral belangrijk kan zijn wanneer de toegang tot zink beperkt is. Hoewel wetenschappers, waaronder Blaby, al lang het bestaan ​​van een zinkchaperonne vermoeden, levert het nieuwe onderzoek het eerste definitieve bewijs door een "bestemming" voor zijn leveringen te identificeren.

Door een reeks biochemische testen en genetische experimenten identificeerde het team een ​​zinkafhankelijk eiwit dat niet goed kan functioneren zonder de chaperonne. Dat eiwit, MAP1 genaamd, bestaat voor alle soorten - van gist en muizen tot planten en mensen. Dat betekent dat de bevindingen niet alleen relevant zijn voor planten, maar ook voor de gezondheid van mensen, waar een tekort aan zink leidt tot groei- en ontwikkelingsstoornissen.

"Onze doelen zijn in de duurzaamheid van bio-energiegewassen, maar omdat de eiwitten die we bestuderen bijna overal worden gevonden, heeft ons onderzoek toepassingen die heel breed zijn," zei Blaby.

Een ontdekking opsporen

Andere sporenmetalen, zoals nikkel en koper, worden door chaperonnes rond de cellen getransporteerd omdat ze giftig kunnen zijn. De chaperonnes voorkomen dat de reactieve metalen 'ongewenste associaties' aangaan. Reacties tussen sommige sporenmetalen en zuurstof genereren vrije radicalen die schadelijk zijn voor cellen. Maar zink lijkt niet de neiging te hebben tot zulke gevaarlijke verbindingen.

"Zink is een relatief onschadelijk metaalion. Omdat het niet reageert met zuurstof om reactieve zuurstofsoorten te creëren, dachten we dat het misschien gewoon diffundeert om te komen waar het heen moet zonder de noodzaak van een chaperonne," zei Blaby. Maar dat weerhield wetenschappers er niet van om er een te zoeken.

Toen Blaby begin jaren 2000 een afgestudeerde student was aan de Universiteit van Florida, werkte ze samen met professor Valérie de Crécy-Lagard, die voor het eerst voorspelde dat leden van een eiwitfamilie genaamd CobW de ontbrekende zinkchaperones waren. "Mijn onderzoek als onderdeel van die groep leverde bewijs dat als er een bestaat, het waarschijnlijk een eiwit in deze familie was. Maar om te bewijzen dat het als een zinkchaperonne functioneert, moesten we de bestemming identificeren - het eiwit waaraan het zink afleverde, " zei Blaby.

Veel groepen werkten jarenlang aan die uitdaging, maar konden het doelwit van de vermeende chaperonne nog steeds niet vinden en bewijzen.

Datamining levert aanwijzingen op

Snel vooruit naar het moment waarop Blaby in 2016 haar onderzoeksgroep in Brookhaven begon op te bouwen. Tijdens het verzamelen van gegevens over interacties tussen eiwitten die het afgelopen decennium in doorzoekbare databases waren gedeponeerd, vond ze aanwijzingen voor een interactie tussen een eiwit in de vermeende familie van zinkchaperons. en een eiwit genaamd methionine aminopeptidase, of MAP1. En ze vond de interactie in zowel gist als mensen.

"Als je zo'n geconserveerde eiwitinteractie in heel verschillende organismen ziet, betekent dit meestal dat het belangrijk is," zei Blaby.

Het blijkt dat MAP1 veel eiwitten in de cel wijzigt - bij bijna alle soorten. Als MAP1 niet werkt, hebben niet-gemodificeerde eiwitten problemen. En MAP1 is afhankelijk van zink om te functioneren.

'De stukjes begonnen in elkaar te vallen,' zei Blaby. "Toen begon het echte plezier - en dat was om onze zeer specifieke hypothese te testen:dat dit eiwit dat we ZNG1 zijn gaan noemen (uitgesproken als zing 1) de chaperonne is die zink aan MAP1 levert."

Blaby werkte samen met Brookhaven-postdocs Miriam Pasquini en Nicolas Grosjean, die een reeks experimenten ontwierpen en uitvoerden om de zaak op te lossen. De twee delen het eerste auteurschap op het papier.

"Dit was echt een geweldig team om samen te brengen om zowel de in vivo en in vitro er was werk nodig om eindelijk experimenteel bewijs te leveren voor de functie van deze eiwitten," zei Blaby.

Het bewijs zit in de fles

Ten eerste, met behulp van snelgroeiende gistcellen, schakelde Grosjean het gen uit dat cellen vertelt hoe ze ZNG1 moeten maken. Als dit eiwit de chaperonne is die zink aan MAP1 levert, dan zou MAP1 niet goed moeten functioneren in de knock-outcellen.

En wanneer zink in het milieu ontbreekt, zou het defect in de MAP1-functie erger moeten worden.

"Wanneer veel eiwitten strijden om beperkt zink, is dat een situatie waarin, als er een chaperonne is, het kan helpen kiezen welke van de vele zinkafhankelijke eiwitten deze kostbare hulpbron moeten krijgen", legt Grosjean uit. Met andere woorden, wanneer zink beperkt is, zou de afwezigheid van de chaperonne meer gevoeld moeten worden.

De resultaten kwamen uit zoals verwacht:cellen zonder het gen voor ZNG1 hadden defecten in MAP1-activiteit en het niveau van defect nam toe in de omgeving met weinig zink.

Vervolgens leidde Pasquini een project om de twee eiwitten - ZNG1 en MAP1 - afzonderlijk te zuiveren. Ten eerste toonde ze aan dat wanneer er geen zink aanwezig is, zoals verwacht, MAP1 op zichzelf niet werkt.

Daarna mengde ze MAP1 met ZNG1 dat geladen was met zink. Maar nogmaals, er was geen MAP1-activiteit. De wetenschappers redeneerden dat er nog iets anders moest ontbreken.

Door middel van een reeks experimenten hebben ze aangetoond dat ZNG1 moet worden geactiveerd om zijn zinklading te leveren. Die activering komt van een energiemolecuul dat bekend staat als GTP.

"Wat we denken dat er gebeurt, is dat de chaperonne GTP bindt en een bepaalde conformatie of vorm heeft," zei Pasquini. "Wanneer het de energie van GTP vrijgeeft, verandert het van vorm. We denken dat conformationele verandering belangrijk kan zijn voor het binden en vrijgeven van zink."

Toen Pasquini GTP toevoegde aan de mix van met zink beladen ZNG1 en MAP1, nam ze eindelijk MAP1-activiteit waar.

"Pas nadat je het energiemolecuul hebt toegevoegd, zie je bewijs dat zink wordt overgebracht naar MAP1", zei ze.

Samen leverden deze experimenten het bewijs dat het langvermoede eiwit dat nu bekend staat als ZNG1 werkt als een chaperonne om zink aan MAP1 te leveren.

Grootschalige implicaties

Het team werkte ook samen met wetenschappers in het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Pacific Northwest National Laboratory, aan grotere "proteomics" -experimenten. En ze werkten samen met Estella Yee bij Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een andere DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, aan computationele modelleringsstudies om het eiwitcomplex te begrijpen dat zich vormt tussen de zinkchaperone en MAP1.

"Onze in vivo en in vitro experimenten keken naar slechts een paar spelers. Met proteomics konden we zien hoe het verwijderen van het zinktransferase-gen alle beïnvloedt de eiwitten - en bestudeer de impact die die spelers hebben op de rest van de cel en het organisme," zei Blaby.

Een van de belangrijkste gevolgen is dat cellen zich niet langer kunnen aanpassen aan een laag zinkgehalte.

"Cellen zijn zo geëvolueerd dat wanneer de zinkconcentraties te laag worden, een groep genen wordt ingeschakeld om te reageren op deze verandering van omstandigheden. Maar wanneer je van ZNG1 afkomt, blijven veel van die genen uitgeschakeld," zei Blaby.

"We bouwen nu voort op dit fundamentele werk dat is voltooid in het snelgroeiende gistmodelorganisme om te begrijpen hoe deze eiwitten en hun functies worden geconserveerd in bio-energiegewassen," zei Blaby. "Dit werk werpt licht op een voorheen onbekende strategie die planten gebruiken om te gedijen wanneer zink in de bodem beperkt is. Als we dergelijke strategieën begrijpen, kunnen we manieren bedenken om de gewasproductiviteit te optimaliseren en ecologisch duurzame bio-energie te bereiken."

Pasquini voegde toe:"De mogelijkheid voor planten om veerkracht te verwerven in bodems met een laag zinkgehalte, betekent ook dat we niet-bebouwbaar land kunnen exploiteren voor het verbouwen van bio-energiegewassen, waardoor vruchtbare gronden voor andere landbouwdoeleinden worden gebruikt. Plantencellen aansporen om meer ZNG1 te produceren zou mogelijk superieure groei mogelijk maken op marginale gronden die uitgeput zijn in zink." + Verder verkennen

Studie identificeert eerste cellulaire 'begeleider' voor zink