Фермент ATE1 играет ключевую роль в клеточном ответе на стресс, открывая новые терапевтические мишени

Новое исследование в Nature Communications раскрывает механизм работы ранее малоизученного фермента в клетке. Многие болезни связаны с хроническим клеточным стрессом, и группа Аарона Т. Смита из UMBC обнаружила, что этот фермент играет важную роль в клеточном ответе на стресс. Лучшее понимание его функций и регуляции может привести к открытию новых терапевтических мишеней.

Фермент называется ATE1 и относится к семейству аргинил-тРНК-трансфераз. Эти ферменты присоединяют аргинин (аминокислоту) к белкам, что часто помечает белки для уничтожения в клетке. Уничтожение неправильно свернутых белков, часто возникающих в результате клеточного стресса, важно для предотвращения их разрушительного воздействия на клеточные функции. Накопление дефектных белков может вызывать серьёзные проблемы в организме, приводя к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера или рак.

Многообещающие выводы

Исследование показывает, что ATE1 связывается с кластерами ионов железа и серы, и его активность увеличивается в 2–3 раза, когда он связан с одним из таких железо-серных кластеров. Более того, когда учёные блокировали способность клеток производить эти кластеры, активность ATE1 резко снижалась. Также было обнаружено, что ATE1 высокочувствителен к кислороду, что, по мнению авторов, связано с его ролью в регуляции клеточного стресса через процесс окислительного стресса.

«Мы были очень взволнованы этим, потому что это имеет множество очень заманчивых последствий», — говорит Смит, особенно в отношении роли фермента в заболеваниях.

Лаборатория Смита работала сначала с белком дрожжей, но также показала, что мышиная версия ATE1 ведёт себя аналогично. Это важно, поскольку сходство мышиного и человеческого белка позволяет предположить, что человеческий ATE1, вероятно, функционирует так же.

Новый подход

До этого открытия Смит и его тогдашняя аспирантка Верна Ван, Ph.D. '22, долгое время безуспешно пытались подтвердить результаты другой группы, индуцируя связывание ATE1 с гемом (соединением, содержащим железо). Прорыв произошёл, когда Смит, готовя лекцию о белках, связывающих кластеры металлов и серы, заметил их структурное сходство с ATE1.

В лаборатории они добавили сырьё для создания железо-серных кластеров в раствор с ATE1, и результаты показали, что ATE1 действительно связывает эти кластеры.

Факт связывания сам по себе был интересен и нов, но ключевым стал вопрос: влияет ли это на ферментативную активность? Более года дополнительных экспериментов дали утвердительный ответ. В процессе группа также определила структуру ATE1 в дрожжах (без связанного кластера), опубликовав её в Journal of Molecular Biology в ноябре 2022 года.

Субтильные, но значимые изменения

Примерно в то же время другая группа опубликовала немного другую структуру ATE1, где вместо железо-серного кластера был связан ион цинка. При связывании цинка одна ключевая аминокислота поворачивается примерно на 60 градусов. Это изменение, которое, как полагает Смит, аналогично происходит и при связывании кластера, является ключом к его роли в функции ATE1.

Эта повёрнутая аминокислота находится непосредственно рядом с местом, где белок-субстрат взаимодействует с ATE1 для модификации. Изменение угла этой аминокислоты «очень тонко» меняет форму сайта связывания, но «более чем тонко» влияет на активность фермента.

Взгляд вперёд и назад

Смит также хотел бы изучить, как другие металлы (помимо цинка и железо-серного кластера) могут влиять на активность фермента. Кроме того, его лаборатория работает над определением структуры ATE1 в организме, отличном от дрожжей, и над подтверждением структуры ATE1 со связанным железо-серным кластером.

Эти шаги позволят создать более чёткую картину функционирования и регуляции ATE1 в клетке. Смит также полагает, что многие белки, для которых пока не показано связывание с железо-серными кластерами, могут от них зависеть.

Эта работа возвращает Смита к его первым дням в UMBC и давнему интересу к модификациям белков, среди которых присоединение аргинина является более необычным. Теперь его группа находится на переднем крае исследований того, как аргининовые модификации влияют на клеточные функции и болезни.