Исследование эволюционных истоков ферментного комплекса PRPS
Исследователи из Онкологического центра Университета Цинциннати изучили эволюционное происхождение ферментного комплекса PRPS, чтобы понять его функционирование и влияние на клеточную биохимию. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Эволюционное сохранение "зомби"-ферментов
Исследователи сосредоточились на одном из важнейших и эволюционно консервативных метаболических ферментов — фосфорибозилпирофосфатсинтазе (PRPS). Клетки млекопитающих производят четыре связанных с PRPS белка: PRPS1, PRPS2 и ассоциированные белки 1 и 2 (AP1 и AP2).
Большинство исследований последних 30 лет фокусировалось на PRPS1 или PRPS2 как на отдельных ферментах, поскольку они могут функционировать изолированно. AP1 и AP2, лишённые ключевых каталитических свойств, оставались малоизученными, подобно "зомби"-ферментам.
Команда задалась вопросом, почему гены, кодирующие эти "неактивные" ферменты, сохранялись на протяжении огромных эволюционных промежутков времени. Эволюционная консервация указывает на их важную роль.
Трассировка происхождения
Анализ эволюционной истории показал:
- PRPS1 — предковая версия фермента, попавшая в эукариоты от бактериального донора миллиарды лет назад.
- AP2 — первый паралог (копия гена), появившийся в линии животных и грибов более 1 миллиарда лет назад.
- AP1 и PRPS2 возникли позже из AP2 и PRPS1 в результате дупликации генома, давшей начало челюстным позвоночным.
Эти четыре паралога сохраняются у всех челюстных позвоночных: акул, костистых рыб, амфибий, рептилий и млекопитающих. Тенденция к дупликации и сохранению копий генов PRPS наблюдается у самых разных эукариот (растений, амёбозоев, протистов), что подчёркивает её критическую важность для метаболической адаптивности.
Функции ферментов в комплексе
Используя технологию CRISPR, команда "выключила" различные комбинации этих ферментов в клеточных линиях млекопитающих. Во всех случаях общая жизнеспособность клеток снижалась, особенно в клетках, где оставался только PRPS1: они росли медленнее, производили меньше нуклеотидов и имели дефекты митохондриальных функций.
Метод эксклюзионной хроматографии показал, что все четыре фермента образуют в клетках крупный комплекс, примерно в 10 раз больше, чем структуры, формирующиеся при удалении одного из ферментов. AP1 и AP2 действуют как молекулярные каркасы, помогая строить и стабилизировать этот крупный ферментный комплекс.
Клетки, экспрессирующие только PRPS1, формировали крупные аномальные агрегаты, которые функционировали хуже, чем четырёхкомпонентный комплекс нормальных клеток. Это означает, что многие предыдущие исследования изолированного in vitro PRPS1, вероятно, давали результаты, не отражающие его работу в естественной клеточной среде.
Значение для будущих исследований и медицины
Изучение этих белков по отдельности даёт лишь часть картины. Для понимания активных и регуляторных свойств фермента необходимо изучать их совместную работу.
Несколько заболеваний человека связаны с нарушением регуляции ферментов PRPS. Изучение того, как мутации влияют на весь комплекс PRPS, может открыть новые пути для понимания и потенциальные терапевтические возможности.
Поскольку ферменты PRPS — единственный путь превращения сахаров в нуклеотиды (строительные блоки RNA и DNA), существует большой потенциал для разработки персонализированных методов лечения, направленных на усиление или ограничение их активности:
- При раке может быть целесообразно ограничить активность PRPS, чтобы подавить производство нуклеотидов и замедлить рост опухоли.
- При синдромах дефицита нуклеотидов может потребоваться усиление активности.
Раскрытие базовой архитектуры комплекса даёт основу для следующих шагов, переводящих знания в новые диагностические и терапевтические подходы.