Μια ομάδα επιστημόνων από το Lawrence Berkeley National Laboratory και το Scripps Research Institute έχει καθορίσει η κρυσταλλική δομή και μοριακών μηχανισμών της ένα βασικό μέρος της WRN, μιας πρωτεΐνης που προστατεύει τον άνθρωπο από την πρόωρη γήρανση και καρκίνο.
Όταν το γονίδιο για WRN είναι ελαττωματικό το αποτέλεσμα είναι το σύνδρομο Werner, μια σπάνια κληρονομική ασθένεια που δεν παρουσιάζει συμπτώματα μέχρι την εφηβεία, αλλά σύντομα προκαλεί ταχεία γήρανση. Ξεκινώντας στα είκοσί τους, τα θύματα μπορούν να γίνουν στενοχωρούνται με καταρράκτη, απώλεια μαλλιών, ζαρωμένο δέρμα, οστεοπόρωση, αρτηριοσκλήρωση, και διαβήτη τύπου ΙΙ? Πολλά καρκίνο σύμβαση ασθενείς, και οι περισσότεροι πεθαίνουν από την ηλικία των 50. Η κατανόηση του πώς η πρωτεΐνη WRN λειτουργεί κανονικά για τη διατήρηση της ακεραιότητας του γονιδιώματος θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες μορφές θεραπείας για τον καρκίνο και την ηλικία που σχετίζονται με παθολογίες.
"Ένας λόγος που ενδιαφέρονται ιδιαίτερα για WRN οφείλεται στο γεγονός ότι το σύνδρομο Werner είναι ασυνήθιστο μεταξύ πρόωρη γήρανση, ασθένειες, στην οποία τα παιδιά γεννιούνται κανονικά και δεν παρουσιάζουν κανένα σημάδι της ασθένειας μέχρι την πρώιμη ενήλικη ζωή», λέει ο Steven Yannone Ζωής τμήματος Επιστημών Berkeley Lab. "Αυτό μας δίνει μια καλύτερη ευκαιρία να χωρίζει σαφώς ελαττώματα στην ανάπτυξη από τη γήρανση."
«Θέλαμε να μελετήσει την πρωτεΐνη η ίδια, επειδή είναι μοναδικό", λέει ο Jeff Perry του Τμήματος του Scripps Research Institute της Μοριακής Βιολογίας και Skaggs Ινστιτούτο Χημικής Βιολογίας, πρώην του Berkeley Lab, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας με Yannone. "WRN ανήκει σε μια οικογένεια ενζύμων που ονομάζονται RecQ helicases" - από τα οποία υπάρχουν πέντε στο ανθρώπινο γονιδίωμα, που εκτελούν σημαντικές λειτουργίες στην αντιγραφή του DNA, ανασυνδυασμός και επιδιόρθωση - "αλλά σε αυτή την οικογένεια, μόνο WRN έχει μια λειτουργία σε συνδυασμό helicase και νουκλεάσης λειτουργία εντός της ίδιας πρωτεΐνης. "
Helicases ανοίξει η διπλή έλικα του DNA, ενώ νουκλεάσες υποβαθμίσει ενός ή και των δύο αλυσίδων DNA? Και οι δύο ενέργειες είναι κρίσιμα για την επιδιόρθωση λαθών και διόρθωση αλληλουχίες του DNA. Ένα μέρος του WRN είναι exonuclease, η οποία αρχίζει να δουλεύει από το τέλος ενός σκέλους DNA. Perry και Yannone και τους συναδέλφους τους που καθορίζεται με τη διάρθρωση του τομέα exonuclease WRN (WRN-εξω) και έδειξε πόσο το ένζυμο μπορεί να λειτουργήσει σε μια σειρά ειδικών εκδηλώσεων επιδιόρθωση του DNA. Τα ευρήματά τους θα εμφανιστεί σύντομα στο περιοδικό Nature διαρθρωτικών και Μοριακής Βιολογίας και είναι πλέον διαθέσιμα στο διαδίκτυο.
Όλα τα μέλη της ερευνητικής ομάδας ήταν οι συμμετέχοντες στο πρόγραμμα SBDR (διαρθρωτικά Κυτταρικής Βιολογίας του μηχανές επισκευής του DNA) που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Καρκίνου. John δοχείο, καθηγητής στο Scripps Research, μέλος του Skaggs Ινστιτούτο Χημικής Βιολογίας, και του εξωτερικού επιστήμονα στο Berkeley Lab, είναι κύριος ερευνητής SBDR του. Co-κύριος ερευνητής είναι Priscilla Κούπερ, επικεφαλής του Τμήματος Μοριακής Βιολογίας στη Ζωή Τμήμα Επιστημών Berkeley Lab.
TAINER λέει, «Ο τομέας exonuclease της πρωτεΐνης WRN αποτελεί ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα του τι εμείς στην SBDR αποκαλούμε« κλειδιά πλοίαρχος, «δομές που ανοίγουν πόρτες σε πολλές διαφορετικές οδούς αποκατάστασης. Μεταξύ άλλων, WRN εμπλέκεται στην επιδιόρθωση διπλά σπασίματα , μονόκλωνος διαλείμματα, πιρούνια αναπαραγωγή και διασταυρώσεις, ακόμη και το DNA-RNA ντούμπλεξ. Πώς μπορεί κάποιος πρωτεΐνη ξέρουν πώς να συμπεριφερθούν σε τόσες πολλές διαφορετικές διαδικασίες; Αν μπορούμε να κατανοήσουμε πώς αυτό μοναδικά έργα πρωτεΐνη, θα έχουμε ένα κλειδί για το πώς όλα αυτών των οδών έργο ανθρώπων. "
Cooper λέει, «Η κατανόηση της σχέσης μεταξύ της δομής της WRN και πώς εκτελεί πολλαπλές λειτουργίες του να αποτρέψει τη γήρανση και τον καρκίνο είναι ένα τέλειο παράδειγμα του είδους του προβλήματος που σχεδιάσαμε το πρόγραμμα SBDR να λύσει. Με 21 ερευνητές σε 15 ιδρύματα, στόχος SBDR του είναι να αποκτήσουν τις θεμελιώδεις γνώσεις σχετικά με τις μοριακές μηχανές που διατηρούν την γονιδιωματική ακεραιότητα, εφαρμόζοντας μια σειρά από πειραματικές τεχνικές. "
Άλλα μέλη της ομάδας SBDR που ερεύνησαν WRN ήταν Lauren Holden και Chiharu Hitomi του Scripps Research, Aroumougame Asaithamby και David Chen του Πανεπιστημίου του Texas Southwestern Medical Center, και Seungil Han της Pfizer, Inc Asaithamby, Han, και Chen είναι πρώην μέλη του Berkeley Lab? Chen είναι ανώτερο στέλεχος του προγράμματος SBDR.
Σημεία δομή στη λειτουργία
Jeff Perry είναι ειδικός στην δομικής βιολογίας, συμπεριλαμβανομένης της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ, και Steve Yannone ειδικεύεται στη βιοχημεία? Και τα δύο είδη της εμπειρίας είναι ουσιαστικής σημασίας για την επίλυση των μυστηρίων του WRN. Οι ερευνητές άρχισαν με την κατασκευή, από ανασυνδυασμένο DNA, το τμήμα της πρωτεΐνης που είναι γνωστό ότι έχουν δραστηριότητα exonuclease.
«Πρώτα έπρεπε να βρούμε από πού την περιοχή exonuclease ήταν στο πλαίσιο της αλληλουχίας πρωτεϊνών», λέει ο Perry. Το επόμενο βήμα ήταν να αυξηθεί κρύσταλλα αυτού του τομέα exonuclease. "Μόνο το τελευταίο από τα 10 κρύσταλλα που είχαμε για τη σταδιακή - ένα κρίσιμο βήμα για τον προσδιορισμό δομής - λειτούργησε, οπότε ήταν ένα κομμάτι ενός γκρεμού-κρεμάστρα."
Χρησιμοποιώντας κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ beamlines 5.0.2 και 8.3.1 σε Advanced Light Source Berkeley Lab, οι ερευνητές καθοριστεί με ποιον τρόπο WRN-εξω ήταν διπλωμένο. Η διπλή δομή αποκάλυψε ότι WRN-εξω ανήκει σε μια οικογένεια της νουκλεάσες συμμετέχουν στη διατήρηση της ακεραιότητας του γονιδιώματος, την οικογένεια DnaQ, η οποία έχει μια μακρά εξελικτική ιστορία και βρίσκεται στα αρχαία, τα βακτήρια και οι ιοί, καθώς και τα ανώτερα φυτά και τα ζώα. Πράγματι, WRN-εξω είναι το πρώτο μέλος της οικογένειας του οποίου η δομή έχει προσδιοριστεί σε ανθρώπους.
Η δομή της μεγαλύτερης πρωτεΐνης WRN είναι γνωστό ότι είναι χτισμένο από πολλές ατομικές αντίγραφα WRN. Για να προσδιορίσετε πώς τα μεμονωμένα WRN-εξω μονάδες θα μπορούσε να εργαστούν από κοινού ως ένα σύνθετο, οι ερευνητές δανείστηκε μια εξίσου διπλωμένο DnaQ πρωτεΐνη από ένα φυτό, το φυτό Arabidopsis thaliana ("Ποντίκι-αυτί κάρδαμο»), και το χρησιμοποίησε ως πρότυπο για τις πιθανές ανώτερης τάξης δομή. Το αποτέλεσμα ήταν ένα δαχτυλίδι από έξι τομείς exonuclease WRN, ακριβώς το σωστό μέγεθος για να γλιστρήσει γύρω από έναν έλικα του DNA, με δεσμευτικές τους και των ιστοσελίδων κατάλυση προσανατολισμένη προς τα μέσα προς το περικυκλωμένη DNA.
Αυτή η δομή δακτυλίου θύμισε οι ερευνητές μιας άλλης πρωτεΐνης που ονομάζεται σύνθετη Ku70/80, η οποία όπως WRN περιβάλλει και συνδέεται με τα άκρα του DNA. Επίσης, όπως WRN, Ku70/80 συμμετέχει σε μια σημαντική μορφή της επιδιόρθωσης του DNA που ονομάζεται nonhomologous τέλος ενώνει? Πράγματι, οι βιοχημικές εξετάσεις έδειξαν ότι Ku70/80 διεγείρει σε μεγάλο βαθμό τη δραστηριότητα αυτή σε WRN. Δομικά, εξάλλου, οι δύο δακτύλιοι στοίβα τακτοποιημένα μαζί, γεγονός που υποδηλώνει ότι έχουν εξελιχθεί για να εργαστούν από κοινού.
"Αυτό είναι ένα παράδειγμα του πώς ενδιαφέρουσες ερωτήσεις της βιοχημείας προκύπτουν από την εξέταση των δομών," λέει ο Yannone.