В исследовании, опубликованном в Nature Communications, освещается работа профессора и председателя кафедры физики Северо-Восточного региона Марка Уильямса, доктора наук Майка Морса, профессора Линды Челико из Саскачеванского университета в Канаде и Юлии Рузины из Университета штата Огайо. В статье исследуются возможности человеческого белка, ингибирующего ВИЧ-1, APOBEC3G (A3G).
Их результаты показали, что когда белок A3G растет из одного белка (мономера) в комплекс из двух белков (димер), его функция трансформируется из редактирующего белка, который мутирует вирусную ДНК, в действие в качестве препятствия для дальнейшей репликации вируса.
«Я был полностью удивлен результатом того, что димеров было достаточно для этого», – сказал Уильямс. «Мы получили наши данные, и данные сказали нам об этом, но нам потребовалось много времени, чтобы понять, что единственный способ понять эти данные – это то, что димеры должны быть моделью для внезапного изменения свойств белка."
Лаборатория биофизики одиночных молекул Уильямса специализируется на инструментах, называемых оптическими пинцетами, которые изучают такие молекулы, как отдельные молекулы ДНК или комплексы ДНК-белок. Этот инструмент удерживает ДНК или РНК между двумя шариками из полистирола, чтобы посмотреть на взаимодействие с ДНК, наблюдая за изменениями ее длины и натяжения.
Используя этот метод, лаборатория изучает множество различных биологических систем, включая репликацию ВИЧ-1. Комбинация этих биофизических методов с экспериментами по активности ферментов и созданием мутантных форм A3G лабораторией Chelico позволила Уильямсу и Морсу сравнить исходную форму белка с различными мутантами, содержащими структурные изменения. Это позволило изолировать процесс, который привел к стабильно связанному димеризованному белку.
В течение последних 12 лет лаборатория Уильямса изучала репликацию ВИЧ-1 с помощью гранта NIH.
Их последний проект связан с пониманием белков врожденного иммунитета, которые обеспечивают иммунитет человека к ВИЧ-1. В семействе APOBEC3 есть семь белков, некоторые из которых борются с ретровирусами, такими как ВИЧ-1, в то время как другие борются с ретротранспозонами, которые представляют собой генетические элементы, которые усиливаются внутри генома и потенциально могут вызывать заболевание.
Все белки APOBEC являются цитидиндезаминазами, что позволяет им модифицировать одноцепочечную ДНК для замены оснований, вызывая мутации при репликации цепи.
Однако у A3G есть и другая функция, которая делает прямо противоположное. Вместо того, чтобы быстро перемещаться по геному и вносить правки, он может стать стабильным связывающим белком, который ингибирует процесс обратной транскрипции, предотвращая репликацию ВИЧ-1.
Это происходит из-за процесса, называемого олигомеризацией, когда отдельные белковые единицы (мономеры) соединяются вместе, образуя мультибелковые комплексы или олигомеры.
«Идея о том, что вы можете увеличивать масштаб и вносить эти изменения, и в то же время блокировать движение чего-то еще, на самом деле не имела смысла», – сказал Уильямс. "Вот почему олигомеризация так важна.
По мере того, как они начинают быстро и продвигаться вперед, со временем они олигомеризуются и становятся очень медленными."
Эта группа исследователей обнаружила олигомеризацию, как опубликовано в их статье 2014 года в Nature Chemistry. Их исследование показало, что рост мультибелкового комплекса вызывает замедление протеина, но неизвестно, сколько протеинов требуется для образования медленного комплекса. Если число было высоким, результаты могут не иметь отношения к репликации вируса.
Кроме того, они могли показать, что комплексы работают медленно, но не могли сказать, обладают ли медленные комплексы ферментативной активностью. Но теперь их новое исследование нашло ответы на эти два важных вопроса.
«Между нашими экспериментами, в которых мы непосредственно наблюдали связывание белков с ДНК, и работой профессора Челико, изучающей ферментативную активность A3G, мы обнаружили, что в короткие промежутки времени в мономерной форме белок очень быстро связывается и диссоциирует от ДНК и имеет высокая ферментативная активность ", – сказал Морс. "Но как только вы позволите ему образовать эти олигомеры, связывание станет намного более стабильным и не так легко диссоциирует.
Профессор Челико смог обнаружить, что ферментативная активность фактически снижается, когда этот процесс происходит, поэтому у вас есть эти две функции – ферментативная активность, которая происходит в одноразовом масштабе и в одной форме, и эта вторичная функция, которая из-за олигомеризации , происходит в другом масштабе времени."
Их исследования показали, что это происходит, даже если всего два белка объединяются, образуя димер. Димера достаточно, чтобы сделать белковый комплекс стабильным и изменить функцию белка.
Поскольку необходим только димер, могут действовать множественные препятствия, препятствующие возникновению обратной транскрипции. Теперь эта важная функция, скорее всего, будет иметь биологическое значение.
"Знание того, как что-то ингибирует ВИЧ-1, может помочь в разработке новых методов препаратов против ВИЧ. Вирус ВИЧ-1 разработал свой собственный белок, чтобы обманом заставить клетку расщеплять белки APOBEC, поэтому, если мы сможем выяснить, как остановить эту деградацию, возможно, мы сможем повысить способность этого белка ингибировать ВИЧ-1, "Уильямс сказал.
Лаборатория Уильямса в Северо-Восточном университете планирует продолжить изучение различных белков APOBEC, другие из которых ингибируют ВИЧ-1 или ретротранспозоны. Изучая эти белки с помощью их уникальных биофизических измерительных инструментов, их лаборатория надеется понять регуляцию, активность и процессы белков, что поможет нам подготовиться к борьбе с ВИЧ и другими связанными с ним заболеваниями.