Sebuah tim ilmuwan dari Lawrence Berkeley National Laboratory dan Scripps Research Institute telah menentukan struktur kristal dan mekanisme molekuler dari bagian kunci dari WRN, protein yang melindungi manusia dari penuaan dini dan kanker.
Ketika gen untuk WRN rusak hasilnya adalah sindrom Werner, mewarisi penyakit langka yang tidak menunjukkan gejala sampai pubertas tetapi segera menyebabkan penuaan yang cepat. Dimulai pada usia dua puluhan, korban mungkin menjadi menderita katarak, rambut rontok, kulit keriput, osteoporosis, arteriosklerosis, dan diabetes tipe II, banyak pasien kanker kontrak, dan mati kebanyakan pada usia 50. Memahami bagaimana protein WRN biasanya bekerja untuk menjaga integritas genom dapat menyebabkan bentuk-bentuk baru pengobatan untuk kanker dan usia-berkaitan dengan patologi.
"Salah satu alasan kita sangat tertarik pada WRN adalah karena sindrom Werner tidak biasa di antara penuaan dini-penyakit, di bahwa anak-anak yang lahir normal dan tidak menunjukkan tanda-tanda penyakit sampai awal masa dewasa," kata Steven Yannone dari Kehidupan Ilmu Divisi Berkeley Lab. "Ini memberi kita kesempatan yang lebih baik jelas memisahkan cacat dalam pembangunan dari penuaan."
"Kami ingin mempelajari protein itu sendiri karena unik," kata Jeff Perry dari Departemen Scripps Research Institute Biologi Molekuler dan Institut Skaggs untuk Kimia Biologi, mantan Berkeley Lab, yang memimpin penelitian dengan Yannone. "WRN milik keluarga enzim yang disebut RecQ helicases" - yang ada lima dalam genom manusia, melakukan fungsi penting dalam replikasi DNA, rekombinasi, dan perbaikan - "tapi dalam keluarga ini, hanya WRN telah digabungkan fungsi helikase dan nuklease fungsi dalam protein yang sama. "
Helicases membuka heliks ganda DNA, sementara nucleases menurunkan salah satu atau kedua rantai DNA, kedua operasi sangat penting untuk memperbaiki kesalahan dan proofreading urutan DNA. Salah satu bagian dari WRN adalah exonuclease, yang mulai bekerja dari ujung untai DNA. Perry dan Yannone dan rekan-rekan mereka menentukan struktur dari domain exonuclease WRN (WRN-exo) dan menunjukkan bagaimana enzim dapat berfungsi dalam serangkaian acara perbaikan DNA tertentu. Temuan mereka akan segera muncul di Alam Struktural & Molekuler Biologi dan sekarang tersedia secara online.
Semua anggota tim penelitian peserta dalam program SBDR (your Biologi Struktural Mesin Perbaikan DNA) yang disponsori oleh National Cancer Institute. John Tainer, seorang profesor di Scripps Research, anggota dari Institut Skaggs untuk Kimia Biologi, dan ilmuwan tamu di Berkeley Lab, adalah penyelidik utama SBDR itu. Co-peneliti utama adalah Priscilla Cooper, kepala Departemen Biologi Molekuler di Kehidupan Ilmu Divisi Berkeley Lab.
Tainer mengatakan, "The domain exonuclease dari protein WRN adalah contoh utama dari apa yang kita sebut di SBDR 'kunci utama," struktur yang membuka pintu ke banyak jalur perbaikan yang berbeda. Antara lain, WRN yang terlibat dalam perbaikan istirahat untai ganda , satu-untai istirahat, replikasi garpu dan persimpangan, bahkan DNA-RNA kopel. Bagaimana satu protein tahu bagaimana berinteraksi dalam proses yang berbeda begitu banyak? Jika kita dapat memahami bagaimana ini bekerja protein unik, kita akan memiliki kunci untuk bagaimana semua jalur ini bekerja pada manusia. "
Cooper mengatakan, "Memahami hubungan antara struktur WRN dan bagaimana melakukan beberapa fungsi untuk mencegah penuaan dan kanker adalah contoh sempurna dari jenis masalah yang kita merancang program SBDR untuk memecahkan. Dengan 21 peneliti di 15 institusi, tujuan SBDR yang adalah untuk mendapatkan wawasan mendasar ke dalam mesin molekuler yang mempertahankan integritas genomik, dengan menerapkan berbagai teknik eksperimental. "
Anggota lain dari tim yang diteliti SBDR WRN adalah Lauren Holden dan Chiharu Hitomi dari Scripps Research, Aroumougame Asaithamby dan David Chen dari Universitas Texas Southwestern Medical Center, dan Seungil Han dari Pfizer, Inc Asaithamby, Han, dan Chen adalah mantan anggota Berkeley Lab, Chen adalah anggota senior dari program SBDR.
Struktur Poin untuk Fungsi
Jeff Perry adalah spesialis dalam biologi struktural, termasuk kristalografi sinar x, dan Steve Yannone spesialisasi dalam biokimia; kedua jenis keahlian yang penting untuk memecahkan misteri WRN. Para peneliti mulai dengan membangun, dari DNA rekombinan, bagian dari protein yang dikenal memiliki aktivitas exonuclease.
"Pertama kita harus mencari tahu di mana wilayah exonuclease adalah dalam urutan protein," kata Perry. Langkah berikutnya adalah untuk menumbuhkan kristal ini domain exonuclease. "Hanya yang terakhir dari 10 kristal kami untuk pentahapan - sebuah langkah penting dalam struktur menentukan - bekerja, jadi sedikit gantungan-tebing."
Menggunakan x-ray kristalografi 5.0.2 dan 8.3.1 beamlines pada Advanced Light Source Berkeley Lab, para peneliti menentukan bagaimana WRN-exo terlipat. Struktur lipat mengungkapkan bahwa WRN-exo milik keluarga nucleases terlibat dalam mempertahankan integritas genomik, keluarga DnaQ, yang memiliki sejarah panjang evolusi dan ditemukan dalam archaea, bakteri, dan virus, serta tumbuhan dan hewan lebih tinggi. Memang, WRN-exo adalah anggota pertama dari keluarga yang strukturnya telah ditentukan pada manusia.
Struktur protein WRN yang lebih besar dikenal akan dibangun dari salinan beberapa individu WRN. Untuk menentukan bagaimana individu WRN-exo unit bisa bekerja sama sebagai kompleks, para peneliti meminjam protein DnaQ sama dilipat dari tanaman, Arabidopsis thaliana ("Mouse-telinga selada"), dan digunakan sebagai template untuk tatanan yang lebih tinggi-mungkin struktur. Hasilnya adalah sebuah cincin dari enam domain exonuclease WRN, hanya ukuran yang tepat untuk menyelinap di sekitar heliks DNA, dengan mengikat mereka dan situs katalisis berorientasi ke dalam menuju DNA dikepung.
Struktur cincin ini mengingatkan para peneliti lain kompleks protein yang disebut Ku70/80, yang seperti mengelilingi WRN dan mengikat ke ujung DNA. Juga seperti WRN, Ku70/80 berpartisipasi dalam sebuah bentuk penting dari perbaikan DNA yang disebut nonhomolog akhir bergabung, memang, tes biokimia menunjukkan bahwa Ku70/80 sangat merangsang kegiatan ini di WRN. Secara struktural, apalagi, dua cincin tumpukan rapi bersama-sama, menunjukkan bahwa mereka telah berevolusi untuk bekerja sama.
"Ini adalah contoh bagaimana pertanyaan menarik dari biokimia timbul dari melihat struktur," kata Yannone.