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Os biofísicos visualizam a dinâmica do atômico-nível da máquina dedegradação a maior

A dinâmica da proteína é essencial para suas funções. Os nanomachines da proteína feitos de moléculas de proteína múltiplas são altamente dinâmica durante suas acções em seus alvos funcionais, chamados algum dia carcaças. A dinâmica destes grandes nanomachines da proteína de mais do que o peso molecular do megadalton é refractária à análise estrutural por tecnologia existente como o cristalografia do raio X e a espectroscopia da ressonância magnética nuclear. a microscopia do Cryo-elétron (cryo-EM), uma tecnologia emergente para a determinação de alta resolução da estrutura, tem o potencial visualizar a dinâmica de grandes nanomachines da proteína, mas as reconstruções cryo-EM existentes de estruturas altamente dinâmicas foram limitadas para moderar à baixa definição. Os cientistas têm sonhado por muito tempo da dinâmica de grandes máquinas moleculars de tamanhos do megadalton no detalhe atômico, a causa determinante final da descodificação de suas funções biológicas. Agora, uma equipe dos biofísicos da Universidade de Pequim, o Dana-Farber Cancer Institute e a Faculdade de Medicina de Harvard usaram o cryo-EM para visualizar a dinâmica do atômico-nível 2,5 do megadalton proteasome, a máquina dedegradação conhecida a maior em pilhas eucarióticas, durante sua acção chemo-mecânica em uma carcaça da proteína. Reconstruíram o procedimento dinâmico quase completo da carcaça que processa no ser humano proteasome na definição inaudita que permite a determinação de detalhes atômicos em 3D, bem como “filmar um átomo do filme 3D pelo átomo”.

“Este trabalho pavimenta a maneira de estudar o termodinâmica de nanomachines do megadalton na precisão atômica longe do equilíbrio” disse Youdong Mao, um biofísico e autor correspondente em um papel novo da descoberta publicado na primeira introdução da natureza do jornal em 2019. “Este estudo abre possibilidades numerosas para a descoberta estrutura-baseada da droga que visa proteasome humano para o tratamento do mieloma múltiplo e de doenças neurodegenerative”.

O sistema de Ubiquitin-Proteasome (UPS) é o caminho o mais importante da degradação da proteína nas pilhas. Mantem o balanço de materiais da proteína em pilhas vivas, e joga um papel crucial na degradação rápida de proteínas reguladoras, de proteínas misfolded ou de proteínas danificadas. UPS é envolvido discutìvel em todos os processos celulares, tais como o ciclo de pilha, regulamento da expressão genética e assim por diante. O metabolismo de proteína anormal causado pela desordem de UPS é relacionado directamente a muitas doenças humanas que incluem o cancro. Em 2004, Aaron Ciechanover, Irwin Rosa e Avram Hershko foram concedidos o prémio nobel na química, para sua descoberta deste caminho da degradação. No centro de UPS é o responsável proteasome para a divisão de carcaças ubiquitin-etiquetadas. É uma das máquinas gigantescas as mais fundamentais, as mais indispensáveis e complicadas do holoenzyme nas pilhas. O holoenzyme proteasome humano contem pelo menos 33 tipos diferentes das subunidades com um peso molecular total do megadalton aproximadamente 2,5. Igualmente sabe-se como o alvo directo de diversas drogas da pequeno-molécula aprovou pelo FDA dos Estados Unidos para tratar o mieloma múltiplo.

Usando o cryo-EM em combinação com a tecnologia de aprendizagem da máquina, a equipe determinou as estruturas dinâmicas do proteasome humano carcaça-contratado em sete estados conformational intermediários em uma definição de 2.8-3.6 Å, capturadas durante a divisão de uma proteína polyubiquitylated. Nesta definição, a equipe podia identificar os únicos íons do magnésio limitados ao ATP e ao ADP nos mapas da densidade cryo-EM. Estas estruturas 3D iluminam uma série contínua spatiotemporal notável de interacções dinâmicas da carcaça-proteasome.

Intrigantemente, a equipe encontrou que a iniciação da translocação da carcaça está coordenada extensivamente com outros eventos reguladores dinâmicos que preparam o proteasome para a degradação processive da carcaça. Com a análise sistemática mais adicional, a equipe descoberta como a energia química da hidrólise do ATP é convertida no trabalho mecânico da revelação da carcaça com um processo altamente ajustado de mudanças conformational da multi-proteína.

Seu encontrar fornece introspecções novas no ciclo completo da carcaça que processa e sugere os modos distintos seguidos pela hidrólise do ATP no holoenzyme proteasome. Acredita-se para ser a primeira vez que um ciclo completo da hidrólise seqüencial do ATP em um motor heterohexameric da AAA-ATPase estêve visualizado a nível atômico. Isto resolve um debate científico de longa data sobre hexamers da ATPase entre dois modelos supor, uma hidrólise seqüencial de sugestão do ATP e os outros eventos hydrolytic aleatórios presumidos no anel hexameric. Notàvel, a equipe observou três modos principais de hidrólise altamente coordenada do ATP, caracterizando eventos hydrolytic em duas ATPase oposta posicionadas, em duas ATPase adjacentes, e em uma ATPase de cada vez. Estes modos hydrolytic regulam elegante o deubiquitylation, a iniciação da translocação, e a revelação processive das carcaças, respectivamente.

A equipe notou determinadas limitações neste estudo que a multiplicidade de eventos de processamento do nucleotide em ATPase distintas, durante transições entre estados consecutivos do proteasome, pode ter resultado na ausência das etapas rápidas e dos estados intermediários escassa povoados em suas reconstruções cryo-EM. A equipe prevê a perspectiva de umas explorações mais adicionais a este respeito, identificando estes intermediários faltantes para esclarecer como os eventos do ATP e a troca hydrolytic do nucleotide são coordenados um com o otro, e ligado allosterically à translocação da carcaça. “Uma revelação mais adicional na tecnologia da análise de dados é exigida para extrair a informação ainda mais dinâmica do mesmo conjunto de dados”, Mao disse. “Há um uma grande distância a percorrer para que a tecnologia de aprendizagem dados-conduzida da máquina desencadeie inteiramente a potência potencial do cryo-EM em resolver a dinâmica complexa de máquinas moleculars do megadalton.”