Исследователи из Института Слоана Кеттеринга выяснили структуру важной сигнальной молекулы в раковых клетках. Они использовали новую технологию под названием крио-ЭМ, чтобы визуализировать структуру в трех измерениях. Подробная информация, представленная на этом изображении, открывает путь к рациональному дизайну лекарств.
Ученые называют это главным регулятором роста: белковый комплекс в клетках, который определяет, когда у них достаточно питательных веществ для роста и деления.
Когда срабатывает этот комплекс, называемый mTOR, клетки начинают копировать ключевые ингредиенты, такие как мембраны, ДНК и органеллы. Им понадобятся эти дополнительные материалы, чтобы разделиться, когда они разделятся на дочерние клетки.
Раковые клетки тоже нуждаются в mTOR. Фактически, многие раковые опухоли нашли способы поддерживать белок mTOR активным практически все время. Это часть того, как они обеспечивают безграничное деление клеток.
В течение многих лет ученые пытались воздействовать на аномально активный mTOR с помощью лекарств, чтобы лечить рак. Два таких препарата одобрены FDA для лечения некоторых типов рака почек и груди.
Но в целом препараты, нацеленные на mTOR, разочаровывают. Это может быть связано с тем, что mTOR – это большой и сложный элемент сотового оборудования. Есть много взаимодействующих частей, и может быть сложно снять все одним выстрелом.
Теперь группа ученых из Института Слоана Кеттеринга (SKI) под руководством структурного биолога Николы Павлетич составила впечатляюще подробный обзор белкового комплекса, включая то, как он выглядит в действии. Это изображение сверхвысокого разрешения может привести к разработке более эффективных лекарств, которые блокируют этот ключевой фактор развития рака.
Стоп-кадр: Крио-ЭМ захватывает полное изображение mTOR
Новое изображение является результатом передового исследовательского инструмента, называемого криоэлектронной микроскопией (крио-ЭМ). Этот инструмент, за который его разработчики получили в этом году Нобелевскую премию по химии, стреляет пучками электронов в белки, которые были мгновенно заморожены в жидком азоте. Электроны точно отражаются от образца, образуя изображение. Этот процесс не так уж отличается от того, как работает камера: свет отражается от объекта и попадает в объектив камеры, создавая фотографическое изображение. С помощью крио-ЭМ делаются тысячи таких изображений, а затем компьютер собирает их в точное трехмерное изображение.
Раньше такие подробные изображения атом за атомом можно было получить только с помощью рентгеновской кристаллографии, кропотливого и трудоемкого метода, который включал в себя сначала создание кристалла из белка. Но не все белки образуют кристаллы. Это особенно верно для больших белков и белковых комплексов с множеством движущихся частей, таких как mTOR.
Cryo-EM исключает стадию кристаллизации. Это делает определение структур с помощью этой техники намного проще и быстрее.
"У нас на самом деле были десятки миллиграммов этого белка еще в 2008 году, но мы не могли кристаллизовать его целиком," говорит Хайцзюань Ян, старший научный сотрудник лаборатории Павлетича в SKI, который является первым автором новой статьи, опубликованной в журнале Nature.
Поэтому вместо этого она и ее коллеги начали усекать белок, отрезая кусочки, пока не получили часть, которая кристаллизовалась. Они опубликовали свои выводы об этом меньшем фрагменте в 2013 году.
Как и многие белки, mTOR представляет собой фермент, который точно связывается с целевыми молекулами, называемыми субстратами, для ускорения химических реакций. В частности, это тип киназы, которая удаляет фосфаты (P) из АТФ, энергетической валюты клетки, и помещает их в другие молекулы. Из этого исследования 2013 года, на выполнение которого ушло более пяти лет, команда узнала некоторые ключевые вещи о белке, например, как выглядит сайт связывания АТФ и где связывается препарат под названием рапамицин.
Но это все еще было частичное представление. Белок mTOR на самом деле является частью более крупной сборки нескольких взаимосвязанных белковых субъединиц, которые действуют вместе. Весь комплекс называется mTORC1. В дополнение к субъединице, которая связывает АТФ, существует также субъединица, называемая RAPTOR, которая взаимодействует с другими белками как часть сигнальной цепи. Фермент mTOR активируется белком RHEB и ингибируется белком PRAS40.
Структура, недавно полученная с помощью крио-ЭМ, показывает, как все эти части сочетаются друг с другом, в том числе как включается фермент mTOR.
"Мы выяснили, что RHEB вызывает серьезные конформационные изменения в комплексе," Доктор. Ян говорит. "Связывание RHEB создает новый интерфейс, который не существует без этого связывания, а затем скручивает домен киназы mTOR, чтобы привести его в активную конформацию."
Наконец, они показали, как распространенные мутации, связанные с раком, которые происходят в этом белке, эффективно поддерживают его постоянно в активном состоянии.
Последнее в длинной череде структур, связанных с раком
Решение структуры mTORC1 – это лишь последняя из длинной линейки белковых структур, которую доктор. Павлетич и сотрудники его лаборатории решили. В 1990-х они расшифровали структуру p53, белка, который наиболее часто мутирует при раке. А в начале 2000-х они определили структуру BRCA2, белка-супрессора опухолей, участвующего в репарации ДНК. При мутации этот белок связан с наследственной предрасположенностью к раку груди, раку яичников и раку простаты.
Доктор. Ян говорит, что они планируют вернуться к белку BRCA2. Изучение его с помощью крио-ЭМ позволит им получить еще больше информации, чем было возможно ранее.
"Раньше люди могли моделировать кусочки этого белка и кусочки этого белка," она говорит. "Теперь, с крио-ЭМ, мы можем собрать все это воедино."