Комплекс протеасом присутствует во всех многоклеточных организмах и играет решающую роль в развитии рака, позволяя раковым клеткам быстро делиться.
Исследователи использовали метод, называемый электронной криомикроскопией, или «крио-ЭМ» – образцы изображений, замороженные до -180oC, – чтобы показать протеасомный комплекс с такой необычайной детализацией, что они могли увидеть прототип препарата, связанный с его активными центрами.
Результаты могут помочь улучшить способность ученых создавать молекулы, которые очень специфично взаимодействуют с целевыми участками белков, что является фундаментальной частью разработки новых противораковых препаратов.
Ученые из Института исследования рака в Лондоне и Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований (MRC) в Кембридже смогли визуализировать протеасомный комплекс с разрешением около 3.5 ангстрем, или 3.5 десятимиллиардных метра.
Исследование опубликовано в Nature Communications и финансируется Cancer Research UK и MRC.
Исследование может помочь другим ученым использовать крио-ЭМ в исследованиях по разработке лекарств на основе структуры, в которых исследователи создают наилучшие возможные лекарства, исходя из молекулы, которая уже связывается с активным участком целевого белка.
До недавнего времени такие исследования, как правило, были возможны только с использованием рентгеновской кристаллографии, но исследователям не удалось кристаллизовать многие белковые комплексы, чтобы изучить их с помощью этого метода.
Протеасома играет ключевую роль в бесперебойном функционировании здоровой клетки, облегчая обновление и гибель клеток – расщепляя белки, помеченные для разрушения, на короткие полипептиды, которые затем могут быть преобразованы в аминокислоты и переработаны для использования в создании новых белков.
Он играет важную роль в делении клеток, которое контролируется синхронным разрушением регуляторных белков. Блокирование протеасомы предотвращает эту регулируемую рециркуляцию аминокислот и запускает контролируемую гибель клеток, особенно в быстро делящихся клетках, типичных для рака. Некоторые противораковые препараты уже разработаны для его лечения.
Изображения, полученные в ходе исследования, четко показывают структуру протеасомного комплекса – белковый каркас каждой из его 28 субъединиц виден вместе с большинством боковых цепей белков.
Было показано, что молекула ингибитора, используемая исследователями, явно связана с каждым из трех целевых сайтов протеасомы.
Электронная криомикроскопия становится дополнительным подходом в разработке лекарств от рака к рентгеновской кристаллографии, которая включает создание высокоупорядоченных кристаллов белков и воздействие на них рентгеновским излучением.
Крио-ЭМ дает возможность изучать белковые комплексы в условиях, близких к условиям человеческого тела.
В этом эксперименте исследователи быстро заморозили образцы протеасомы, связанной с ингибитором, чтобы их можно было исследовать в электронном микроскопе при -180 ° C. Они бомбардировали свои образцы электронами и генерировали изображения с помощью сложного программного обеспечения для обработки изображений.
Старший автор исследования доктор Эдвард Моррис, руководитель группы структурной электронной микроскопии в Институте исследований рака в Лондоне, сказал:
«Наше исследование увеличено, чтобы отобразить протеасомный комплекс – рециклирующую единицу, которая играет важную роль в наших клетках – с гораздо большей детализацией, чем мы когда-либо видели в электронном микроскопе.
Путем визуализации белка при сверхнизких температурах мы смогли четко показать целевой сайт для потенциальных противораковых препаратов – и даже смогли показать, что ингибитор связан на месте и блокирует действие протеасомы.
«Благодаря отображению того, как белки сцепляются с ультрамелкими деталями, с точностью до десятков миллиардных долей метра, наше исследование должно значительно упростить разработку новых, более эффективных лекарств от рака.
Раньше такие исследования можно было проводить только с помощью рентгеновской кристаллографии, но использование электронного микроскопа позволит нам исследовать белковые комплексы, которые никто не мог кристаллизовать, и делать это в условиях, которые намного ближе к условиям человеческого тела."
Доктор Эмма Смит, старший специалист по научным коммуникациям в Cancer Research UK, сказала: «Выявление детальной формы молекулы может стать первым шагом на пути к разработке более точных лекарств, которые ее блокируют. Эта молекула играет важную роль в некоторых раковых заболеваниях, и лекарства, которые ее блокируют, уже доступны для пациентов, но создание более эффективных лекарств, менее повреждающих здоровые клетки, может привести к тому, что пациенты будут жить дольше и уменьшить побочные эффекты."