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Los biofísicos visualizan dinámicas del atómico-nivel de la máquina de proteína-degradación más grande

Las dinámicas de la proteína son esenciales para sus funciones. Los nanomachines de la proteína hechos de las moléculas de proteína múltiples son altamente dinámicas durante sus acciones en sus objetivos funcionales, alguna vez llamados los substratos. Las dinámicas de estos nanomachines grandes de la proteína más que peso molecular del megadalton son refractarias al análisis estructural por tecnología existente como la cristalografía de la radiografía y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. la microscopia del Cryo-electrón (cryo-EM), una tecnología emergente para la determinación de alta resolución de la estructura, tiene potencial de visualizar la dinámica de los nanomachines grandes de la proteína, pero las reconstrucciones existentes cryo-EM de estructuras altamente dinámicas se han limitado para moderar a la resolución inferior. Los científicos han soñado de largo con la dinámica de máquinas moleculares grandes de las tallas del megadalton en detalle atómico, el determinante final el decodificar de sus funciones biológicas. Ahora, las personas de biofísicos de la Universidad de Pekín, el Dana-Farber Cancer Institute y la Facultad de Medicina de Harvard han utilizado el cryo-EM para visualizar la dinámica del atómico-nivel 2,5 del megadalton proteasome, la máquina de proteína-degradación mayor conocida de células eucarióticas, durante su acción chemo-mecánica en un substrato de la proteína. Reconstruyeron el procedimiento dinámico casi completo del substrato que tramitaba en el ser humano proteasome en la resolución sin precedente que permite la determinación de detalles atómicos en 3D, como la “filmación de un átomo de la película 3D por el átomo”.

“Este trabajo pavimenta la manera de estudiar la termodinámica de los nanomachines del megadalton en la precisión atómica lejos del equilibrio” dijo a Youdong Mao, biofísico y autor correspondiente en un nuevo papel de la ruptura publicado en la primera aplicación la naturaleza del gorrón en 2019. “Este estudio abre las posibilidades numerosas del descubrimiento estructura-basado de la droga que apunta proteasome humano para el tratamiento del mieloma múltiple y de enfermedades neurodegenerative”.

El sistema de Ubiquitin-Proteasome (UPS) es el camino más importante de la degradación de la proteína de células. Mantiene el equilibrio de los materiales de la proteína en células vivas, y desempeña un papel crucial en la degradación rápida de proteínas reguladoras, de proteínas misfolded o de proteínas dañadas. UPS está implicado en discutible todos los procesos celulares, tales como ciclo celular, regla de la expresión génica y así sucesivamente. El metabolismo de proteína anormal causado por el desorden de UPS se relaciona directamente con muchas enfermedades humanas incluyendo cáncer. En 2004, concedieron Aaron Ciechanover, Irwin Rose y Avram Hershko el Premio Nobel En química, para su descubrimiento de este camino de la degradación. En el corazón de UPS es el responsable proteasome de la avería de substratos ubiquitin-marcados con etiqueta. Es una de las máquinas gigantescas más fundamentales, más imprescindibles y complicadas del holoenzyme de células. El holoenzyme proteasome humano contiene por lo menos 33 diversas clases de subunidades con un peso molecular total del megadalton cerca de 2,5. También se sabe como el objetivo directo de varias drogas de la pequeño-molécula aprobó por el FDA de Estados Unidos para tratar mieloma múltiple.

Usando el cryo-EM conjuntamente con tecnología de enseñanza de máquina, las personas determinaron las estructuras dinámicas del proteasome humano substrato-empeñada en siete estados conformacionales intermedios en la resolución de 2.8-3.6 Å, capturadas durante avería de una proteína polyubiquitylated. En esta resolución, las personas podían determinar los únicos iones del magnesio limitados al ATP y al ADP en los mapas de la densidad cryo-EM. Estas estructuras 3D iluminan una serie continua spatiotemporal notable de acciones recíprocas dinámicas del substrato-proteasome.

Intrigantamente, las personas encontraron que el lanzamiento del desplazamiento del substrato está coordinado extensivamente con otras acciones reguladoras dinámicas que preparan el proteasome para la degradación processive del substrato. Con análisis sistemático adicional, las personas descubiertas cómo la energía química de la hidrólisis del ATP se convierte en el trabajo mecánico del despliegue del substrato con un proceso altamente concertado de los cambios conformacionales de la multi-proteína.

El su encontrar ofrece discernimientos nuevos en el ciclo completo del substrato que tramita y sugiere las maneras distintas seguidas por hidrólisis del ATP en el holoenzyme proteasome. Se cree para ser la primera vez que un ciclo completo de la hidrólisis secuencial del ATP en un motor heterohexameric de la AAA-ATpasa fue visualizado en el nivel atómico. Esto resuelve un prolongado discusión científico sobre hexamers de la ATpasa entre los dos modelos presumidos, la una hidrólisis secuencial del ATP que sugiere y las otras acciones hidrolíticas al azar asumidas en el anillo hexameric. Notablemente, las personas observaron tres maneras principales de la hidrólisis altamente coordinada del ATP, ofreciendo acciones hidrolíticas en dos ATpasas opuesto al mismo tiempo colocadas, en dos ATpasas adyacentes, y en una ATpasa. Estas maneras hidrolíticas regulan elegante el deubiquitylation, el lanzamiento del desplazamiento, y el despliegue processive de substratos, respectivamente.

Las personas observaron ciertas limitaciones en este estudio que la multiplicidad de acciones de tramitación del nucleótido en ATpasas distintas, durante transiciones entre los estados consecutivos del proteasome, pudo haber resultado en ausencia de pasos rápidos y de estados intermedios escaso poblados en sus reconstrucciones cryo-EM. Las personas preven la perspectiva de otras exploraciones a este respecto, determinando estos intermediarios faltantes para clarificar cómo las acciones del ATP y la cantina hidrolíticas del nucleótido se coordinan con uno a, y allosterically conectado al desplazamiento del substrato. El “revelado adicional en tecnología del análisis de datos se requiere para extraer la información aún más dinámica del mismo grupo de datos”, Mao dijo. “Hay mucho por hacer para que la tecnología de enseñanza dato-impulsada de máquina suelte completo la potencia potencial del cryo-EM en resolver la dinámica compleja de las máquinas moleculares del megadalton.”