La struttura dell'enzima critico del punto di controllo della qualità che sovrintende alla produzione di migliaia di glicoproteine ​​secrete è stata risolta da un fruttuoso sforzo collaborativo presso Diamond Light Source. Lo studio, recentemente pubblicato in PNAS , hanno scoperto che l'enzima aveva una flessibilità sorprendente che gli permetteva di adattare la sua conformazione e di afferrare le glicoproteine ​​del suo cliente.

Le glicoproteine ​​sono un tipo abbondante di proteine ​​che hanno zuccheri noti come glicani attaccati ad essi. Per garantire che le glicoproteine ​​siano correttamente ripiegate, devono essere esaminati da un enzima di controllo della qualità noto come UDP-glucosio:glicoproteina glucosiltransferasi (UGGT). Incredibilmente, l'enzima ha la capacità di controllare e rilevare il misfold in migliaia di proteine ​​di tutte le forme e dimensioni diverse, ma il meccanismo di questa impresa impressionante deve ancora essere rivelato. Questo importante enzima è stato studiato negli ultimi 25 anni, ma la sua struttura è sfuggita a tutti coloro che ci hanno lavorato finora.

Attratto dalla sfida, uno sforzo concertato è stato fatto da accademici dell'Università di Oxford e del Consiglio Nazionale delle Ricerche d'Italia, insieme allo staff di Diamond, per determinare finalmente la struttura e risolvere il mistero di questo enigmatico enzima. La struttura è stata risolta con l'ausilio della linea di luce di cristallografia macromolecolare (I04-1) e crio-microscopia elettronica (EM) presso il modernissimo Electron Bio-Imaging Center (eBIC) entrambi a Diamond.

Il team ha visto che UGGT aveva sette subunità invece delle quattro che ci si aspettava dalla sequenza, e che era molto flessibile. Queste qualità permetterebbero all'enzima di essere altamente promiscuo, in quanto potrebbe adattare la sua conformazione per adattarsi alle proteine ​​che controlla. Queste affascinanti scoperte potrebbero facilitare la progettazione di nuovi inibitori UGGT che potrebbero compromettere il ripiegamento dei virus per trattare le infezioni o potrebbero rilasciare proteine ​​attive e tuttavia trattenute per trattare malattie congenite rare.

Enzima sfuggente

Le glicoproteine ​​costituiscono una proporzione enorme del contenuto proteico delle cellule. La maggior parte delle proteine ​​secrete sono glicosilate e persino i virus dirottano questo percorso per essere ripiegati correttamente per diffondere la loro infezione. Il regolatore critico della qualità del ripiegamento delle glicoproteine ​​è UGGT, un enzima da 170 kDa che si trova in tutti gli eucarioti, dal lievito ai pesci agli uccelli e ai mammiferi. L'UGGT funge da gatekeeper per le glicoproteine ​​segnalando quelle mal ripiegate e prevenendo il loro rilascio prematuro dal reticolo endoplasmatico. Sebbene l'UGGT sia molto diffuso, la sua struttura e funzione sono sfuggite agli scienziati per 25 anni. La sua intrigante promiscuità per il controllo di migliaia di glicoproteine ​​di diverse forme e dimensioni ha attirato molta attenzione.

Scienziati dell'Università di Oxford, l'Istituto di Scienze delle Produzioni Alimentari e l'Istituto di Cristallografia presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche, Italia, insieme a un team dell'eBIC di Diamond ha intrapreso uno studio strutturale innovativo per approfondire il funzionamento interno di UGGT.

Scienziato capo dello sforzo congiunto e ricercatore presso l'Università di Oxford, Dott. Pietro Roversi, ha spiegato la loro motivazione:"Volevamo sapere come UGGT potrebbe essere incaricato di controllare la correttezza delle proteine ​​piegate dato che sono tutte così diverse. Ci sono alcuni obiettivi molto importanti di UGGT, comprese le proteine ​​immunologiche e quelle che vengono mantenute nelle malattie congenite rare".

Resistente al calore UGGT

Uno dei motivi per cui la struttura dell'UGGT è sfuggita agli scienziati per così tanto tempo è stata la sua flessibilità. Per superare questo ostacolo, il team ha saggiamente scelto di studiare una forma di UGGT derivata da un fungo termofilo. Le proteine ​​da fonti resistenti al calore possono spesso essere più rigide, il che significa che questo tipo di UGGT era meno flessibile e più suscettibile di analisi strutturali rispetto alla sua controparte umana.

Mentre la struttura cristallina è stata risolta dal dottor Roversi a I04-1, un team di esperti di Diamond ha lavorato contemporaneamente presso l'eBIC per risolvere la struttura crio-EM.

Investigatore principale dello studio e professore di virologia all'Università di Oxford, Nicole Zitzmann ha spiegato le loro scoperte:"Abbiamo visto che UGGT era composto da più domini del previsto, che non poteva essere previsto dalla sola sequenza. C'erano sette domini in totale:un dominio catalitico, due β-sandwich e quattro domini simili alla tioredossina." Una delle più grandi scoperte è stata l'elevata flessibilità di UGGT, che, se alterata, impediva all'enzima di funzionare. È questa flessibilità che gli consente di stringere e adattare la sua forma per controllare il suo vasto numero di proteine ​​​​clienti.

Inibizione UGGT

Oltre ad approfondire le nostre conoscenze di base su come funziona questa importante proteina per il controllo della qualità, lo studio potrebbe dare origine a nuovi inibitori dell'UGGT. Si spera che l'antagonismo con l'UGGT possa consentire il trattamento di infezioni virali o rari disturbi congeniti da accumulo di proteine. Un'ulteriore importante applicazione potrebbe essere quella di migliorare i sistemi di espressione proteica nelle cellule eucariotiche, per cui l'allentamento del controllo esercitato da UGGT potrebbe aumentare la resa delle proteine ​​secrete.

Il dottor Roversi ha descritto i prossimi passi per lo studio:"Vogliamo risolvere la struttura in complesso con glicoproteine ​​client mal ripiegate, ma vogliamo anche svolgere la biologia cellulare di base per vedere quali glicoproteine ​​patologiche proteine ​​UGGT ha il potere di trattenere nel reticolo endoplasmatico, in modo da poter accertare in quali malattie è implicato questo enzima."