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I biofisici prevedono della la dinamica livella atomico di più grande commputer didegradazione

La dinamica della proteina è essenziale per le loro funzioni. I nanomachines della proteina fatti delle molecole di proteina multiple sono altamente dinamica durante i loro atti sui loro obiettivi funzionali, prima o poi chiamati substrati. La dinamica di questi grandi nanomachines della proteina di più del peso molecolare del megadalton è refrattaria all'analisi strutturale dalla tecnologia attuale come cristallografia a raggi x e la spettroscopia a risonanza magnetica nucleare. la microscopia dell'Cryo-elettrone (cryo-EM), una tecnologia di emergenza per la determinazione ad alta definizione della struttura, ha potenziale di prevedere la dinamica di grandi nanomachines della proteina, ma le ricostruzioni attuali cryo-EM delle strutture altamente dinamiche sono state limitate per moderare a risoluzione bassa. Gli scienziati lungamente hanno sognato della dinamica di grandi commputer molecolari delle dimensioni del megadalton in dettaglio atomico, l'ultimo determinante di decodifica delle loro funzioni biologiche. Ora, un gruppo dei biofisici dall'università di Pechino, il Dana-Farber Cancer Institute e la facoltà di medicina di Harvard hanno usato il cryo-EM per prevedere della la dinamica livella atomico 2,5 del megadalton proteasome, il commputer didegradazione più più conosciuto in celle eucariotiche, durante il suo atto chemo-meccanico su un substrato della proteina. Hanno ricostruito la procedura dinamica quasi completa di trattamento del substrato nell'essere umano proteasome a risoluzione senza precedenti che permette la determinazione dei dettagli atomici in 3D, tanto come “la ripresa dell'atomo di film 3D dall'atomo„.

“Questo lavoro apre la strada studiare la termodinamica dei nanomachines del megadalton a precisione atomica lontano da equilibrio„ ha detto Youdong Mao, un biofisico ed autore corrispondente su un nuovo documento dell'innovazione pubblicato nella prima emissione della natura del giornale nel 2019. “Questo studio apre le numerose possibilità per alla la scoperta basata a struttura della droga che mira a proteasome umano per il trattamento del mieloma multiplo e delle malattie neurodegenerative„.

Il sistema di Ubiquitin-Proteasome (UPS) è la via di degradazione della proteina più importante in celle. Mantiene il bilanciamento dei materiali della proteina in celle viventi e svolge un ruolo cruciale nella degradazione rapida delle proteine regolarici, delle proteine misfolded o delle proteine nocive. UPS è compreso discutibilmente in tutti i trattamenti cellulari, quale il ciclo cellulare, regolamento di espressione genica ecc. Il metabolismo di proteina anormale causato da disordine di UPS direttamente è collegato con molte malattie umane compreso cancro. Nel 2004, Aaron Ciechanover, Irwin Rosa e Avram Hershko hanno ricevuto il premio Nobel in chimica, per la loro scoperta di questa via di degradazione. Al centro di UPS è il responsabile proteasome della ripartizione dei substrati ubiquitin-etichettati. È uno dei commputer giganteschi di holoenzyme più fondamentali, più indispensabili e complicati in celle. Il holoenzyme proteasome umano contiene almeno 33 generi differenti di sottounità con un peso molecolare totale di megadalton circa 2,5. Egualmente è conosciuto come l'obiettivo diretto di parecchie droghe della piccolo-molecola ha approvato da FDA degli Stati Uniti per trattare il mieloma multiplo.

Facendo uso del cryo-EM congiuntamente alla tecnologia di apprendimento automatico, il gruppo ha determinato le strutture dinamiche del proteasome umano substrato-impegnato in sette stati conformazionali intermedi ad una risoluzione di 2.8-3.6 Å, catturate durante la ripartizione di una proteina polyubiquitylated. A questa risoluzione, il gruppo poteva identificare i singoli ioni del magnesio limitati sia al trifosfato di adenosina che all'ADP nelle mappe di densità cryo-EM. Queste strutture 3D illuminano un continuum spazio-temporale notevole delle interazioni dinamiche del substrato-proteasome.

Intrigante, il gruppo ha trovato che l'inizio dello spostamento del substrato è coordinato estesamente con altri eventi regolatori dinamici che preparano il proteasome per la degradazione processive del substrato. Con ulteriore analisi sistematica, il gruppo scoperto come l'energia chimica di idrolisi del trifosfato di adenosina è convertita in lavoro meccanico di spiegamento del substrato con un trattamento altamente concordato dei cambiamenti conformazionali della multi-proteina.

La loro individuazione fornisce le comprensioni novelle nel ciclo completo di trattamento del substrato e suggerisce i modi distinti seguiti da idrolisi del trifosfato di adenosina nel holoenzyme proteasome. È creduto per essere la prima volta che un ciclo completo di idrolisi sequenziale del trifosfato di adenosina in un motore heterohexameric dell'AAA-Atpasi sia stato visualizzato al livello atomico. Ciò risolve un dibattito scientifico di lunga durata circa i hexamers dell'atpasi fra due modelli supposti, un'idrolisi sequenziale di suggerimento del trifosfato di adenosina e gli altri eventi idrolitici casuali presupponenti nell'anello hexameric. Considerevolmente, il gruppo ha osservato i tre modi principali di idrolisi altamente coordinata del trifosfato di adenosina, caratterizzanti gli eventi idrolitici in due atpasi per volta in modo opposto posizionate, in due atpasi adiacenti ed in un'atpasi. Questi modi idrolitici regolamentano elegante il deubiquitylation, l'inizio dello spostamento e lo spiegamento processive dei substrati, rispettivamente.

Il gruppo ha preso atto di determinate limitazioni in questo studio che la molteplicità di eventi di trattamento del nucleotide in atpasi distinte, durante le transizioni fra gli stati consecutivi del proteasome, può risultare in assenza dei punti veloci e degli stati intermedi scarsamente popolati nelle loro ricostruzioni cryo-EM. Il gruppo prevede la prospettiva di ulteriori prospezioni in questo senso, identificando questi intermediari mancanti per chiarire come gli eventi del trifosfato di adenosina e lo scambio idrolitici di nucleotide sono coordinati a vicenda e allosterically collegato allo spostamento del substrato. “Ulteriore sviluppo nella tecnologia dell'analisi di dati è richiesto per estrarre le informazioni ancor più dinamiche dallo stesso gruppo di dati„, Mao ha detto. “C'è parecchio da fare affinchè dalla la tecnologia di apprendimento automatico guidata da dati completamente liberi la potenza potenziale del cryo-EM nella soluzione della dinamica complessa dei commputer molecolari del megadalton.„