Фермент ATE1 играет роль в клеточной реакции на стресс, открывая двери для новых терапевтических целей

Новая статья в Связь с природой освещает, как ранее плохо изученный фермент работает в клетке. Многие заболевания связаны с хроническим клеточным стрессом, и Аарон Т. Смит и его коллеги из UMBC обнаружили, что этот фермент играет важную роль в реакции клеток на стресс. Лучшее понимание того, как этот фермент функционирует и контролируется, может привести к открытию новых терапевтических мишеней для этих заболеваний.

Фермент называется ATE1 и принадлежит к семейству ферментов, называемых аргинил-тРНК трансферазами. Эти ферменты добавляют аргинин (аминокислоту) к белкам, что часто помечает белки для разрушения в клетке. Уничтожение белков, которые неправильно свернуты, часто в результате клеточного стресса, важно для предотвращения того, чтобы эти белки наносили ущерб клеточным функциям. Накопление неисправных белков может вызвать серьезные проблемы в организме, что приведет к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера или рак, поэтому способность эффективно избавляться от этих белков является ключом к долгосрочному здоровью.

Дразнящие последствия

В новой статье показано, что ATE1 связывается с кластерами ионов железа и серы и что активность фермента увеличивается в два-три раза, когда он связывается с одним из этих кластеров железо-сера. Более того, когда исследователи заблокировали способность клеток производить кластеры, активность ATE1 резко снизилась. Они также обнаружили, что ATE1 очень чувствителен к кислороду, что, по их мнению, связано с его ролью в смягчении реакции клетки на стресс посредством процесса, известного как окислительный стресс.

«Мы были очень взволнованы этим, потому что это имеет много очень заманчивых последующих последствий», особенно связанных с ролью фермента в заболевании, — говорит Смит, доцент кафедры химии и биохимии.

Лаборатория Смита первоначально работала с дрожжевым белком, но также показала, что мышиная версия ATE1 ведет себя аналогично. Это важно, объясняет Смит. «Поскольку белок дрожжей и белок мыши ведут себя одинаково, — говорит он, — есть основания полагать, что, поскольку белок человека очень похож на белок мыши, он, вероятно, ведет себя так же».

Новый подход

Прежде чем они сделали свое прорывное открытие, Смит и тогдашний аспирант Верна Ван, Кандидат наук. ’22, биохимия и молекулярная биология, в течение довольно долгого времени пытались заставить ATE1 связываться с гемом, соединением, которое содержит железо и необходимо для связывания кислорода в крови, чтобы подтвердить результаты другой группы. Это не сработало, и они расстроились, признает Смит. Но однажды, когда Смит готовил лекцию о белках, связывающихся с кластерами атомов металлов и серы, он понял, что белки, о которых он собирался рассказать своим студентам, похожи на ATE1.

Осознав это, Смит и Ван избрали новый подход. В лаборатории они добавили сырье для создания кластеров железа и серы в раствор с ATE1, и результаты показали, что ATE1 действительно связывает кластеры. «Это выглядит многообещающе», — вспоминает Смит. «Мы были очень взволнованы этим».

Тот факт, что фермент вообще связывает кластеры, был интересным и новым, «но затем мы также спросили, влияет ли это на способность фермента делать то, что он делает», — говорит Смит. Ответ, после более чем года дополнительных экспериментов, был твердым «да». В процессе группа Смита также определила структуру ATE1 в дрожжах (без связанного с ней кластера), которую они опубликовали в журнале. Журнал молекулярной биологии в ноябре 2022 года.

Тонко, но существенно

Примерно в то же время другая группа также опубликовала несколько иную структуру ATE1. В структуре другой группы ион цинка (другой металл) был связан вместо кластера железо-сера. При наличии цинка одна ключевая аминокислота поворачивается примерно на 60 градусов. Это может показаться несущественным, но Смит считает, что вращение, которое, как он предполагает, похоже на кластер, является ключом к роли кластера в функции ATE1.

Повернутая аминокислота находится непосредственно рядом с тем местом, где белок будет взаимодействовать с ATE1 для модификации, в конечном итоге помечая его как подлежащий деградации. Изменение угла этой аминокислоты изменяет форму места, где белок будет связываться «очень тонко», но изменяет его активность «более чем тонко», говорит Смит.

Смотреть вперед и оглядываться назад

Смит также хотел бы изучить, как другие металлы, кроме цинка и кластера железо-сера, могут влиять на активность фермента. Кроме того, его лаборатория работает над определением структуры ATE1 в организме, отличном от дрожжей, и над подтверждением структуры ATE1 со связанным железо-серным кластером.

Все эти шаги создадут более четкую картину того, как ATE1 функционирует и регулируется в клетке. Смит также говорит, что, по его мнению, белки, для которых до сих пор не было показано, что они связывают железо-серные кластеры, действительно могут полагаться на них.

Эта новая статья на самом деле восходит к первым дням Смита в UMBC. Его всегда интересовали модификации белков, а добавление аргинина — более необычный вариант. «Я всегда вспоминал об этом и думал: «О, было бы действительно интересно лучше понять, как это работает», — говорит он.

Несколько лет спустя его группа находится на переднем крае изучения того, как модификации аргинина влияют на клеточную функцию и болезни.