Ученые спустя более 20 лет определили полную структуру киназы Януса
Прорыв произошел в день рождения молекулярного биолога Кристофера Гарсии. Его команда и другие ученые по всему миру более 20 лет пытались определить 3D-структуру ключевого сигнального белка в клетках.
В конце 2021 года изображения молекулы, полученные с помощью электронного микроскопа, стали четкими. 8 декабря постдок Наотака Цуцуми и аспирант Калеб Глассман отправили Гарсии электронное письмо с поразительно четким изображением белка, связанного с ключевым рецептором. Гарсия, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза в Стэнфордском университете, немедленно покинул собрание и побежал в лабораторию.
Исследователи работали круглосуточно, чтобы завершить определение полной структуры белка, известного как киназа Януса, и опередить конкурирующие лаборатории. 26 декабря они отправили рукопись в журнал Science, который опубликовал работу 10 марта 2022 года.
Команда Гарсии получила не только полную структуру жизненно важной сигнальной молекулы, но и механизм работы этих киназ, что было «фундаментальным вопросом в биологии», по словам иммунолога Джона О’Ши из Национальных институтов здоровья. Поскольку эти белки могут работать со сбоями при заболеваниях, результаты могут привести к созданию новых и более эффективных лекарств против некоторых видов рака.
Постепенный прогресс
Киназы Януса принимают сигналы извне клеток и передают информацию молекулам внутри. Уже много лет известно, что неисправные киназы Януса могут вызывать болезни. Некоторые мутации, нарушающие их функцию, могут серьезно ограничить способность организма бороться с инфекцией, вызывая состояние, практически идентичное «болезни мальчика в пузыре». А когда генетические сбои и усиленные сигналы чрезмерно активируют киназы, результатом могут стать рак крови (например, лейкемия), аллергические или аутоиммунные заболевания.
Исследователи знали форму частей белков, включая связанные ферментные и регуляторные области на конце молекулы, что и дало им название в честь двуликого римского бога Януса. Сложные скрининги лекарств обнаружили молекулы, ингибирующие эти белки, что дало врачам способ лечения некоторых видов рака и заболеваний, таких как ревматоидный артрит. Но ученые разрабатывали лекарства, не зная полной структуры молекул или механизма их активации. Поэтому большая часть существующего арсенала из почти дюжины препаратов, а также тех, что проходят клинические испытания, являются относительно грубыми инструментами, блокирующими как здоровые, так и мутировавшие киназы Януса. Они все еще могут лечить многие болезни, от экземы до COVID-19, но также могут вызывать ряд побочных эффектов.
Гарсия хотел получить более детальное представление о белках, но, как он узнал, когда впервые попытался визуализировать молекулы в 1995 году, это была сложная задача. Киназы печально известны тем, что их трудно получить в лаборатории. Кроме того, они нелегко образуют кристаллы, необходимые для получения 3D-структур с помощью рентгеновской кристаллографии. Поэтому в течение многих лет Гарсия и другие могли видеть только фрагменты киназ.
В последние годы части головоломки начали складываться. Одним из ключевых достижений стал метод крио-ЭМ, при котором ученые замораживают образцы, а затем рассматривают их с помощью электронного микроскопа. Другим важным шагом стало решение команды Гарсии изучать мышиную киназу Януса, а не менее стабильную человеческую. Они также ввели распространенную мутацию, вызывающую рак, в мышиную киназу, что еще больше стабилизировало молекулу.
Запуск сигнала
Работа команды Гарсии раскрывает структуру киназы Януса под названием JAK1 и описывает этапы передачи сигналов внутри клеток.
- Рецепторные белки усеивают клеточные мембраны, выступая с внутренней и внешней поверхностей клетки, как зубочистка в сэндвиче.
- Затем одна киназа Януса внутри клетки прикрепляется к рецепторам, ожидая сигнала.
- Далее молекулы, называемые цитокинами, приближаются к внешней стороне клетки, каждая связываясь с двумя рецепторами. Цитокины действуют как мост, который сближает два рецептора.
- Это сближает активные концы киназы Януса, включая их. Как спичка, зажигающая огонь, киназа передает сигнал, который говорит генам включиться или выключиться.
Структура также показывает, как вызывающая рак мутация замыкает эту цепочку сообщений — склеивая две части киназы Януса. Это приводит к тому, что две активные области остаются включенными даже при отсутствии внешних цитокинов, вызывая неконтролируемую активность, которая может спровоцировать рак.
Гарсия надеется, что новые результаты помогут ученым разработать более эффективные лекарства, нацеленные только на дефектные киназы Януса, позволяя здоровым версиям продолжать выполнять свои обычные функции. Эта работа, по его словам, является примером «идеальной ситуации в науке, когда решение фундаментальной проблемы также имеет прямое отношение к заболеванию».