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Les biophysiciens conçoivent la dynamique niveau atomique de la plus grande machine protéine-dégradante

La dynamique de protéine sont essentielle pour leurs fonctionnements. Les nanomachines de protéine faits de molécules de protéine multiples sont hautement dynamique pendant leurs actions sur leurs objectifs fonctionnels, substrats un jour ou l'autre appelés. La dynamique de ces grands nanomachines de protéine de plus que le poids moléculaire de megadalton sont réfractaire à l'analyse de la structure par technologie existante comme la cristallographie de rayon X et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. la microscopie de Cryo-électron (cryo-FIN DE SUPPORT), une technologie émergente pour la détermination à haute résolution de structure, a le potentiel de concevoir la dynamique de grands nanomachines de protéine, mais les reconstructions cryo-FIN DE SUPPORT existantes des structures hautement dynamiques ont été limitées pour modérer à basse résolution. Les scientifiques ont longtemps rêvé de la dynamique de se traduire de grandes machines moléculaires des tailles de megadalton dans le petit groupe atomique, la cause déterminante éventuelle de leurs rôles biologiques. Maintenant, une équipe des biophysiciens de l'Université de Pékin, le Dana-Farber Cancer Institute et la Faculté de Médecine de Harvard ont employé cryo-FIN DE SUPPORT pour concevoir la dynamique niveau atomique du protéasome de 2,5 megadalton, la machine protéine-dégradante la plus la plus large en cellules eucaryotes, pendant son action chimio-mécanique sur un substrat de protéine. Ils ont reconstruit la procédure dynamique presque complète du substrat traitant dans le protéasome humain à la définition sans précédent qui permet la détermination des petits groupes atomiques dans 3D, tout comme « filmer un atome du film 3D par l'atome ».

« Ce travail prépare le terrain d'étudier la thermodynamique des nanomachines de megadalton à la précision atomique loin de l'équilibre » a dit Youdong Mao, un biophysicien et auteur correspondant sur un papier neuf de découverte publié dans le premier numéro de la nature de tourillon en 2019. « Cette étude ouvrent de nombreuses possibilités pour la découverte de médicaments basée sur structure visant le protéasome humain pour le traitement des myélomes multiples et les maladies neurodegenerative ».

Le système d'Ubiquitine-Protéasome (UPS) est la voie de dégradation de protéine la plus importante en cellules. Il met à jour le reste des matériaux de protéine en cellules vivantes, et joue un rôle essentiel dans la dégradation rapide des protéines de réglementation, des protéines misfolded ou des protéines endommagées. UPS est impliqué dans discutablement tous les processus cellulaires, tels que le cycle cellulaire, règlement d'expression du gène et ainsi de suite. Le métabolisme de protéine anormale provoqué par le trouble d'UPS est directement lié à beaucoup de maladies humaines comprenant le cancer. En 2004, Aaron Ciechanover, Irwin Rose et Avram Hershko ont été attribués le prix Nobel en chimie, pour leur découverte de cette voie de dégradation. Au coeur d'UPS est le protéasome responsable de la perte de substrats ubiquitine-étiquetés. Il est l'une des machines gigantesques de holoenzyme les plus principales, les plus indispensables et compliquées en cellules. Le holoenzyme humain de protéasome contient au moins 33 genres différents de sous-unités avec un poids moléculaire total de megadalton environ 2,5. On le connaît également comme l'objectif direct de plusieurs médicaments de petite molécule a reconnu par la FDA des Etats-Unis pour traiter le myélome multiple.

Utilisant cryo-FIN DE SUPPORT en combination avec la technologie d'apprentissage automatique, l'équipe a déterminé les structures dynamiques du protéasome humain substrat-engagé dans sept conditions conformationnelles intermédiaires à la définition de 2.8-3.6 Å, captées pendant la perte d'une protéine polyubiquitylated. À cette définition, l'équipe pouvait recenser les ions uniques de magnésium liés à l'ATP et à l'ADP dans les plans de la densité cryo-FIN DE SUPPORT. Ces structures 3D illuminent un continuum spatio-temporel remarquable d'interactions dynamiques de substrat-protéasome.

Intrigant, l'équipe a constaté que l'amorçage de la translocation de substrat est considérable coordonné avec d'autres événements de réglementation dynamiques préparant le protéasome pour la dégradation processive de substrat. Par davantage d'analyse systématique, l'équipe découverte comment l'énergie chimique de l'hydrolyse d'ATP est convertie en travail mécanique du déploiement de substrat par un procédé fortement concerté des modifications conformationnelles de multi-protéine.

Leur conclusion fournit des analyses nouvelles dans le cycle complet du substrat traitant et propose des modes distincts suivis de l'hydrolyse d'ATP dans le holoenzyme de protéasome. On pense qu'est la première fois qu'un cycle complet de l'hydrolyse séquentielle d'ATP dans un moteur heterohexameric de D.C.A.-Atpase a été conçu au niveau atomique. Ceci résout une discussion scientifique de longue date au sujet des hexamers d'atpase entre deux modèles présumés, une hydrolyse séquentielle de proposition d'ATP et les autres événements hydrolytiques faits au hasard arrogants dans la sonnerie hexameric. Notamment, l'équipe a observé trois principaux modes de l'hydrolyse hautement coordonnée d'ATP, comportant des événements hydrolytiques dans deux atpases à la fois à l'opposé positionnées, dans deux atpases adjacentes, et dans une atpase. Ces modes hydrolytiques règlent d'une manière élégante le deubiquitylation, l'amorçage de translocation, et le déploiement processive des substrats, respectivement.

L'équipe a noté certaines limitations dans cette étude à la laquelle la pluralité d'événements de traitement de nucléotide dans les atpases distinctes, pendant les passages entre les conditions consécutives du protéasome, a pu avoir donnée droit faute d'opérations rapides et conditions intermédiaires peu abondamment peuplées dans leurs reconstructions cryo-FIN DE SUPPORT. L'équipe envisage l'espérance d'autres d'explorations à cet égard, en recensant ces intermédiaires manquants pour expliquer comment les événements d'ATP et l'échange hydrolytiques de nucléotide sont coordonnés les uns avec les autres, et allosterically lié à la translocation de substrat. « Le développement ultérieur en technologie d'analyse de caractéristiques est exigé pour extraire l'information bien plus dynamique du même ensemble de données », Mao a dit. « Il y a de beaucoup de chemin à faire pour que la technologie d'apprentissage automatique caractéristique caractéristique lâche entièrement le pouvoir potentiel de cryo-FIN DE SUPPORT en résolvant la dynamique complexe des machines moléculaires de megadalton. »