Utilizzando una combinazione di tecniche computazionali e sperimentali, un gruppo di ricerca dell'Università del Massachusetts Amherst guidato dalla biologa molecolare Lila Gierasch ha demistificato il percorso di comunicazione interdominio in una famiglia di proteine ​​note come Hsp70s - un obiettivo principale di dozzine di laboratori di ricerca che cercano di sviluppare nuovi farmaci antitumorali, antibiotici e cure per l'Alzheimer e il Parkinson.

Gierasch dice, "Questo ci ha presentato una sfida piuttosto scientifica, perché tutte le tecniche che di solito usiamo per esaminare la comunicazione tra i diversi domini nelle proteine ​​si bloccano quando i bersagli sono flessibili e non rigidi, e il linker interdominio in Hsp70s è molto flessibile. Dovevamo essere intelligenti nel nostro approccio." I dettagli sono nel Journal of Biological Chemistry .

Come lei spiega, le proteine ​​da shock termico della famiglia Hsp70 - peso molecolare 70 - sono "una classe davvero importante di chaperon molecolari che hanno molti compiti importanti nella cellula, compreso il legame alle proteine ​​del cliente per assistere il loro ripiegamento, o per impedire loro di aggregarsi patologicamente, o per tenerli aperti in modo che possano passare come fili attraverso una membrana."

Descrive le tre parti di una proteina Hsp70 ripiegata come un dominio legante i nucleotidi e un dominio legante il substrato collegati da un linker interdominio "misterioso", che diventa parte della struttura quando una piccola molecola, adenosina trifosfato (ATP), si lega all'Hsp70. Quando l'ATP rilascia energia per l'uso della cellula, si trasforma in adenosina difosfato (ADP). "Puoi pensare a questa macchina molecolare come un apparato di Rube Goldberg, " fa notare. "Sappiamo da anni che il piccolo linker che collega i due domini è importante, e quando l'ATP è presente fa parte della struttura collassata a due domini. Ma con l'ADP presente, i domini si muovono indipendentemente. Il ruolo del linker in questo caso era sconosciuto, e ha posto un puzzle che era molto difficile da capire."

Di fronte a metodi sperimentali diretti limitati per osservare i movimenti del linker, Gerasch e il ricercatore post-dottorato Charles English, collaborando con il membro aggiunto della facoltà Woody Sherman, anche CSO di Silicon Therapeutics, Boston, condotto uno studio computazionale per comprendere la gamma di possibili posizioni del linker. Hanno usato una tecnica chiamata dinamica molecolare, che utilizza le equazioni del moto di Newton per simulare il movimento di atomi e molecole. Ciò è stato aiutato dall'enorme potenza di calcolo delle unità di elaborazione grafica e dal vicino centro di calcolo ad alte prestazioni multiuniversitario del Massachusetts Green a Holyoke.

Gierasch dice Wenli Meng, un maestro delle tecniche di risonanza magnetica nucleare (NMR), ottenuto i dati NMR che hanno convalidato le simulazioni. Il linker è lungo solo 12 amminoacidi, e Meng è stato in grado di estrarre direttamente le informazioni sul linker da 636 amminoacidi. "Questo è stato un contributo significativo al nostro lavoro, " osserva. "Ci ha fornito un'impronta digitale sperimentale da confrontare con ciò che ha detto la simulazione al computer, e siamo stati molto contenti dello stretto accordo. La combinazione dei dati NMR con le nostre simulazioni ha reso i nostri risultati molto più forti. L'integrazione di più discipline sta facendo avanzare notevolmente la ricerca nelle scienze della vita come questa".

lei riferisce, "Si scopre che quando si osserva attentamente questo linker, è come un giunto cardanico in un'auto." Per Gierasch, che ha ricostruito un MG da parti come studente laureato, questa analogia non è così improbabile come si potrebbe pensare. "Nel meccanismo dell'albero di trasmissione, ci sono pezzi rigidi collegati da giunti, ed è quello che ha questo linker, tre pezzi rigidi collegati da cerniere flessibili. Il risultato è che i due domini collegati dal linker hanno una rotazione limitata l'uno rispetto all'altro. Quindi questo linker proteico non è come una pasta o un pezzo di filo. È rigido in alcuni punti ma flessibile in altri, e, per facilitare il corretto funzionamento dell'accompagnatore, può ruotare in modi che facilitano il meccanismo dell'accompagnatore, ma non può andare ovunque".

Un "bonus imprevisto" aggiunge, sta scoprendo che il linker ha fatto frequenti pause in una tasca sul dominio di legame del substrato, "Questo ti dà un potenziale sito di legame da colpire con un farmaco. Non sapevamo di questa piccola tasca prima, ma ora possiamo immaginare un modo per fermare il ciclo di piegatura assistito da chaperone progettando una piccola molecola che si legherà a quel sito".

Gierasch riconosce che questo progresso è, da solo, solo un passo in un lungo processo, infatti uno che ha lavorato per decenni. "Ma è così che funziona la scienza, Un passo alla volta. Con ogni pezzo del puzzle che inserisci, chiarisce il quadro più ampio." Lei e i coautori scrivono che una migliore comprensione del ruolo del linker interdominio che hanno ora caratterizzato "colma un'ulteriore lacuna nella comprensione di come queste macchine molecolari svolgono le loro miriadi di funzioni fisiologiche." Questo lavoro dovrebbe essere utile per la ricerca sui bersagli Hsp70 per il cancro, morbo di Alzheimer e Parkinson e sviluppo di nuovi antibiotici, aggiungono.

"Inoltre, linker apparentemente flessibili sono molto diffusi nelle molecole di segnalazione in biologia, e il nostro lavoro illustra l'importanza di studiare in profondità i ruoli di queste unità apparentemente flessibili. Delineare i loro paesaggi conformazionali farà luce su come possono trasmettere informazioni da una regione di una molecola a un'altra».

Gierasch aggiunge, "Si dice che le cellule cancerose siano assolutamente dipendenti dagli Hsp70 perché producono molte proteine ​​in grandi quantità, e questi accompagnatori salutano ogni proteina appena sintetizzata e facilitano la loro adozione di una struttura adeguata, ecco perché le persone sono così interessate a loro. Se li inibisci, rallenterai la crescita dei tumori. Il problema è che faresti ammalare anche alcune altre cellule." Inoltre, nuovi antibiotici potrebbero essere sviluppati dall'inibizione di specifici batteri Hsp70, e poiché gli Hsp70 aiutano a proteggere le cellule dall'aggregazione proteica, inibirli o manipolarli potrebbe portare a nuovi trattamenti per le malattie rare derivanti dall'aggregazione proteica.