Структурные модели ферментов PLD3 и PLD4 открывают новые перспективы для понимания болезней
Накопление нуклеиновых кислот (ДНК или РНК) в цитоплазме клетки служит сигналом тревоги для иммунной системы. Ферменты обычно расщепляют эти кислоты до того, как они вызовут проблему. Сбой в работе этих ферментов и последующая активация иммунитета могут приводить к аутоиммунным и воспалительным заболеваниям.
В новом исследовании, опубликованном в Structure, ученые из Scripps Research представили ранее не описанную структуру двух таких нуклеаз — PLD3 и PLD4. Понимание их структуры и молекулярных деталей — важный шаг к разработке терапий для различных заболеваний, связанных с их дисфункцией, включая системную красную волчанку, ревматоидный артрит и болезнь Альцгеймера.
«Эти ферменты важны для очистки клеточной среды и также устанавливают порог того, что считается инфекцией», — говорит старший автор Дэвид Немази.
Ферменты PLD3 и PLD4 расщепляют цепь РНК или ДНК нуклеотид за нуклеотидом. Команда использовала рентгеноструктурный анализ для построения атомных моделей ферментов в нескольких состояниях: в покое и в активной связи с субстратом.
«Эти модели позволяют нам очень четко визуализировать PLD3 и PLD4 с высоким разрешением, чтобы понять, как работает каждый атом и как функционируют ферменты», — говорит первый автор Мэн Юань.
Структурный анализ показал, что PLD3 и PLD4 структурно схожи и расщепляют ДНК/РНК сходным образом, несмотря на то что PLD4 — более крупный белок. Оба фермента работают в два этапа:
- «Захват»: фермент «откусывает» один нуклеотид («кирпичик») от цепи.
- «Высвобождение»: фермент «открывает рот» и высвобождает нуклеотид для утилизации.
Поскольку ферментативная реакция происходит за миллисекунды, для визуализации структуры во время катализа ученые использовали альтернативный субстрат, похожий на ДНК, но расщепляемый медленнее.
Этот метод выявил ранее неизвестную функцию PLD4: помимо отщепления нуклеотидов от одноцепочечных РНК и ДНК, PLD4 также проявляет фосфатазную активность, то есть может участвовать в расщеплении фосфатного остова ДНК.
«Обнаружение новой ферментативной активности беспрецедентно в структурной биологии. Только благодаря тому, что Мэн смог получить невероятно точную и детальную структуру, мы узнали об этой дополнительной активности», — отмечает Немази.
Исследователи также изучили структуру вариантов ферментов, ассоциированных с болезнями (Альцгеймера, спиноцеребеллярная атаксия). Анализ показал, что у одних вариантов снижена ферментативная способность, а другие — например, мутация, связанная с болезнью Альцгеймера с поздним началом, — оказались более активными.
«Некоторые наши данные говорят, что один из вариантов фермента, связанный с Альцгеймером, может функционировать лучше, что стало для меня неожиданностью, но он также может быть менее стабильным и легче агрегировать», — говорит Немази.
Дальнейшие планы ученых включают поиск способов ингибирования сверхактивных ферментов и исследование возможности замены нефункциональных версий у пациентов.