Nascosto all'interno delle membrane cellulari, un macellaio molecolare fa gli ordini di cellule sane ma anche di agenti patologici. Ha operato senza una visuale chiara, ma i ricercatori hanno appena puntato i riflettori su di esso.

Il macellaio è un enzima comune chiamato presenilina, che riduce i blocchi di proteine ​​​​lunghe fino a lunghezze più corte utilizzabili. Risiede in spazi di membrana che sfuggono alla pronta rilevazione sperimentale, ma in un nuovo studio, i ricercatori del Georgia Institute of Technology e dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno illuminato la presenilina utilizzando un raggio di neutroni prodotto dal reattore nucleare di ricerca più potente del mondo.

"Un terzo del nostro genoma va a lavorare per codificare le proteine ​​intramembrana, "ha detto Raquel Lieberman, professore associato presso la School of Chemistry and Biochemistry della Georgia Tech. "Alcuni di loro sono enormi e fanno biochimica super complessa".

L'enzima presenilina in particolare è una proteasi intramembrana. Ci sono quattro classi di questi, e sono necessari, tra l'altro, per:Avvertire e difendersi dagli infetti, e differenziazione e sviluppo cellulare.

Se gli ultimi due vanno male, che può portare al cancro.

Foto segnaletica di neutroni granulosi

Ora, i ricercatori hanno ottenuto una foto segnaletica figurativa di una proteina intramembrana, la presenilina. Parlando tecnicamente, i ricercatori hanno lavorato con un cugino presenilina trovato nei microbi:M. marisnigri aspartil proteasi intramembrana o MmIAP, ma qui useremo presenilina e MmIAP in modo intercambiabile per semplicità.

La misurazione era a bassa risoluzione, ma ha rivelato abbastanza per stabilire che la struttura della proteina è più semplice di quanto si credesse in precedenza, e questo ha sorpreso gli scienziati.

"Il nostro campione mostra che questo è un monomero da solo, " Disse Lieberman. "Ci aspettavamo un dimero o un trimero." Ciò significa che era composto da un lungo filo, per lo più arrotolato come una molla, invece di ciocche ricci raddoppiate o triplicate.

Presenilin (MmIAP) è armato con due coltelli chimici, aspartati, che tagliano in modo affidabile i peptidi, le subunità che compongono le proteine. E un secondo nuovo studio degli stessi ricercatori ha illuminato come funziona la scissione.

Il macellaio di peptidi di chiunque

La presenilina può ridurre i peptidi in elementi costitutivi utili alle proprie cellule, o sminuzzare pezzi di peptidi cattivi che finiscono nella placca amiloide-beta, un sospetto nella malattia di Alzheimer. Oppure la presenilina può aiutare e abbattere i virus dell'epatite C scolpendo i componenti di cui ha bisogno per riprodursi.

Capire come funziona la presenilina potrebbe un giorno rivelarsi utile per la ricerca medica. "Se potessi trovare un modo per interferire con esso in modo selettivo, potresti fermare la diffusione dell'epatite C nel corpo, " ha detto Liebermann.

I ricercatori, guidato da Lieberman e dallo scienziato della diffusione di neutroni Volker Urban dell'ORNL, ha pubblicato le rivelazioni dello scattering di neutroni il 2 febbraio, 2018, in Giornale Biofisico . I nuovi approfondimenti sul funzionamento della presenilina verranno pubblicati ufficialmente a marzo nel Journal of Biological Chemistry , ma è attualmente disponibile online senza embargo. I primi autori furono Swe-Htet Naing di Georgia Tech e Ryan Oliver di Oak Ridge.

La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, gli Istituti Nazionali di Sanità, e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Allevamento di nascondigli idrofobici

Gli scienziati hanno preso la pistola grossa quando sono andati al reattore ad alto flusso di isotopi (HFIR) per far uscire allo scoperto la presenilina (MmIAP).

I fasci di neutroni di HFIR sono stati raffreddati a meno 253 gradi Celsius (meno 424 gradi Fahrenheit) per rallentare i neutroni, in modo da poter sondare le caratteristiche molecolari dei campioni biologici.

La presenilina e altre proteine ​​intramembrana giustificano tali proverbiali misure disperate. Vivono in un ambiente lipidico e odiano l'acqua come fanno i gatti, e questo è un problema per i ricercatori che li studiano.

"Quando hai proteine ​​che non sono solubili in acqua, sei nei guai, " ha detto Lieberman. "Le solite tecniche per analizzarli diventano molto, molto difficile, se non impossibile. E quando fai il bootstrap chimico di queste proteine ​​per poter usare questi metodi idrosolubili, hai davvero poche possibilità di vedere la struttura effettiva della proteina che svolge la sua funzione."

La forma segue la funzione

Le immagini derivate da metodi analitici a base d'acqua nel laboratorio di Lieberman non hanno completamente urtato con la funzione della presenilina. Per uno, le superfici di taglio dell'enzima sono state troppo distanti. Le rivelazioni del raggio di neutroni avevano più senso per i ricercatori.

"La nostra forma era più stretta, e aveva più senso con la funzione della presenilina nel suo ambiente naturale nella membrana, " ha detto Liebermann.

I campioni di presenilina (MmIAP) esaminati all'HFIR sono stati sospesi in una soluzione amica della proteina idrofoba. Ironia della sorte, presenilina e altre proteasi intramembrana spesso idrolizzano peptidi, in altre parole, aggiungono acqua a loro.

"Queste proteasi sono confinate alla membrana cellulare lipidica dove non c'è acqua. Poiché l'acqua è necessaria per l'idrolisi, deve provenire dall'esterno della membrana, " Ha detto Lieberman. "Come ciò accada è un altro mistero che deve essere svelato".

Robusto, elicotteri affidabili

La precisione e la coerenza, con cui l'omologo della presenilina MmIAP ha scisso i peptidi, impressionato i ricercatori.

"Quando abbiamo usato un peptide sintetico modello, si è tagliato solo in posizioni molto specifiche sul peptide, " ha detto Lieberman. "Quando siamo passati a un vero peptide biologico, si è anche tagliato molto esattamente."

I ricercatori hanno sottoposto la presenilina a varie mutazioni, che ha avuto poco o nessun effetto sulle sue capacità di scissione. Ciò potrebbe significare che il suo funzionamento di base è quasi immune all'interferenza genetica.

Con una nota agghiacciante, quando si tagliano i peptidi precursori dell'amiloide-beta, i ricercatori hanno osservato il cugino microbico presenilina, MMIAP, facendo sempre il taglio in un modo noto per l'associazione dell'amiloide con il morbo di Alzheimer.

"Non abbiamo mai visto il taglio che ha fatto ciò che è tipicamente visto come l'amiloide 'buona', A-beta-40, " ha detto Lieberman. "Abbiamo visto solo tagli che hanno portato all'amiloide 'cattiva', A-beta-42."

Sarebbero necessarie ulteriori ricerche per spiegare perché ciò è accaduto; se lo stesso vale per la presenilina nelle membrane cellulari umane, e anche se qualche regolatore impedisce la creazione o l'accumulo di tanta amiloide cattiva nelle cellule sane.