Химики выяснили, почему синонимичные мутации ДНК не всегда бесшумны
Нековалентная запутанность лассо

Иллюстрация нового класса неправильной укладки белков, называемой нековалентной запутанностью лассо, которая может возникать в результате изменений скорости синтеза белка, вызванных синонимичными мутациями. Внизу: структура белка, показывающая его нативное состояние и неправильно свернутое состояние с нековалентной запутанностью лассо. Авторы и права: Ян Цзян, Penn State

Моделирование показывает, как генетические изменения, которые не приводят к изменениям в последовательности белка, могут все же изменить функцию белка.

Новое моделирование показывает, как синонимичные мутации — те, которые изменяют последовательность ДНК гена, но не последовательность кодируемого белка — все еще могут влиять на производство и функцию белка.

Группа исследователей во главе с химиками из Пенсильвании смоделировала, как генетические изменения, которые изменяют скорость синтеза белка, но не последовательность аминокислот , из которых состоит белок, могут привести к неправильной укладке, которая изменяет уровень активности белка, а затем экспериментально подтвердила свои модели. .

Результаты демонстрируют важность кинетики — скорости синтеза белка — в дополнение к последовательности для определения структуры и функции белка и могут иметь значение в таких областях, как биофармацевтика, для точной настройки активности синтезированных белков.

Белки состоят из длинных цепочек аминокислот, которые затем складываются в трехмерные функциональные структуры. Каждая аминокислота кодируется тройкой букв в алфавите ДНК A, T, C и G, называемой кодоном, но в систему встроена избыточность, так что одной и той же аминокислоте может соответствовать более одного кодона.

Следовательно, мутация, изменяющая последовательность ДНК гена, не обязательно изменит последовательность кодируемого белка, если в результате мутации образуется «синонимичный кодон». Чтобы сделать белок, ДНК в ядре клетки сначала транскрибируется в информационную РНК (мРНК). Затем мРНК транспортируется из ядра, где она транслируется в формирующийся белок клеточной органеллой, называемой рибосомой. После трансляции белок сворачивается в свою окончательную функциональную форму.

«Раньше мы использовали «синоним» и «молчание» взаимозаменяемо для описания мутаций, которые не меняют последовательность белка, потому что считалось, что они не изменят функцию белка», — сказал Эд О'Брайен, профессор химии. и член Института вычислений и наук о данных в Пенсильвании, а также один из руководителей исследовательской группы. «Но мы уже давно знаем, что не все синонимичные мутации молчат. Более двух десятилетий назад было показано, что синонимичные мутации могут снижать активность белков, но до сих пор было неизвестно, что происходит на молекулярном уровне, вызывая это изменение».

Исследовательская группа использовала многомасштабный подход к моделированию, используя теорию и вычисления, чтобы смоделировать то, что происходит на молекулярном уровне во время синтеза белка, чтобы предсказать изменения в структуре белка, которые могут возникнуть в результате синонимичных мутаций и, следовательно, изменить активность белка. Статья с описанием исследования будет опубликована сегодня (5 декабря) в журнале Nature Chemistry.

«По разным причинам некоторые кодоны транслируются рибосомой с разной скоростью», — сказал Ян Цзян, доцент кафедры химии Пенсильванского университета и первый автор статьи. «Для трех разных ферментов — специализированных белков, катализирующих биохимические реакции, — мы смоделировали одну версию мРНК, состоящую из быстро транслируемых кодонов, и одну версию, состоящую из медленно транслируемых кодонов, а затем смоделировали производство возникающего белка и его посттрансляционную укладку. и его активность».

Прогнозы группы относительно изменений в активности белка совпали с экспериментальными результатами, которые были измерены ранее для одного из ферментов. Затем были проведены эксперименты для двух других ферментов, которые также соответствовали изменениям активности, предсказанным их моделированием. Затем они изучили предсказанные структуры белков и пути сворачивания из своих моделей, чтобы попытаться определить изменения на молекулярном уровне, которые могли привести к изменениям активности.

«В наших моделях мы обнаружили новый класс неправильной укладки белков, который мы называем «нековалентная запутанность лассо», — сказал Цзян. «По сути, часть белка образует замкнутую петлю, и один конец белка неправильно проходит через петлю и задерживается на длительные периоды времени».

Исследователи предполагают две возможные причины того, что эта форма неправильной укладки может снизить активность белка. Во-первых, неправильное сворачивание происходит вблизи активного центра фермента, что может нарушить его активность. Во-вторых, в то время как в клетках есть механизмы, называемые шаперонами, которые могут рефолдировать или удалять неправильно свернутые белки, эти конкретные неправильно свернутые структуры могут быть достаточно тонкими, чтобы не распознаваться системой шаперонов, и они могут сохраняться в клетке, потому что для наблюдаемых изменений потребуется большая часть белка. развернуть, чтобы исправить их.

«Итак, тогда возникает вопрос: «Как это происходит?» и мы можем использовать наши модели, чтобы проследить путь сворачивания белка, чтобы решить эту проблему», — сказал О'Брайен. «Мы видим точки перегиба во время складывания, когда белок может либо двигаться по пути, ведущему к правильно свернутому белку, либо по пути, ведущему к запутыванию лассо. Мы называем это «кинетическим разделением». Насколько быстро или медленно транслируется белок — кинетика процесса — по-видимому, влияет на то, какой путь белок, скорее всего, выберет».

Это новое понимание того, как кинетика синтеза белка может влиять на структуру и функцию белка, может иметь последствия в самых разных областях, от биохимии до биотехнологии и медицины.

«Преобладающая парадигма в области укладки белков заключается в том, что последовательность определяет структуру», — сказал О'Брайен. «Наши результаты дают объяснение и иллюстрацию того, как кинетика также может контролировать структуру и функцию белка. Это имеет значение для любой области, связанной с синтезом белка. Неправильный фолдинг белка также способствует возникновению некоторых заболеваний человека, поэтому наша работа указывает на то, что для разработки будущих лекарств может существовать совершенно новый класс лекарственных средств».

Ссылка: «Как синонимичные мутации изменяют структуру и функции ферментов в течение длительного времени», 5 декабря 2022 г., Nature Chemistry .
DOI: 10.1038/s41557-022-01091-z

Помимо О'Брайена и Цзяна, в команду входят Шьям Сундар Нети, Ян Ситарик, Прия Прадхан и сквайр Дж. Букер из Пенсильванского университета; и Филип То, Инцзи Ся и Стивен Д. Фрид из Университета Джона Хопкинса.

Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения США и Национальным научным фондом США. Дополнительную поддержку оказали Медицинский институт Говарда Хьюза и Государственный институт вычислительной техники и данных Пенсильвании.

Биохимия
Дата публикации: 2022.12.06