Раскрытие структурных секретов ключевого ракового белка

Учёные вдохнули новую жизнь в изучение белка, имеющего огромное значение для развития рака у человека из-за его опасных мутаций, применив передовые методы для обнаружения его скрытых областей.

Белки семейства Ras — это ферменты, запускающие рост, деление и дифференцировку многих типов клеток. Их гены признаны наиболее часто мутирующими раковыми генами у людей. Объект данного исследования, белок K-Ras, связан с 75% всех ассоциированных с Ras раков.

Исследователи из Университета штата Огайо впервые обнаружили участок структуры этого белка, ранее недоступный для наблюдения стандартными лабораторными методами. Это раскрыло особенности и взаимодействия, связанные с мутациями белка, которые заставляют клетки бесконечно делиться — классический признак рака.

"Мы знаем, что эти мутации — серьёзная проблема: они приводят к смертям. Мы знаем, что структурная биология может дать уникальное понимание механизмов этих мутаций и стимулировать поиск потенциальных методов лечения", — сказал старший автор исследования Рафаэль Брюшвейлер.

Исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

Несмотря на существующие знания о K-Ras и его ключевых функциональных связях с молекулами, влияющими на здоровье клетки, этот белок считался "неподдающимся воздействию лекарств". Его конфигурация — как в нормальной, так и в мутировавшей форме — скрывает участки структуры, наиболее перспективные в качестве терапевтических мишеней.

"K-Ras — это Святой Грааль исследований рака, вероятно, одна из самых изучаемых биологических молекул в мире, потому что она играет такую ключевую роль при многих видах рака. Но это также была огромная проблема", — отметил Брюшвейлер.

В 2019 году Брюшвейлер и коллеги сообщили о технике, позволившей наблюдать белки, которые движутся слишком медленно для обнаружения стандартной спектроскопией ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Команда решила применить эти находки к поиску тайных участков K-Ras.

Стандартный ЯМР может отслеживать быстродействующий белок, но плохо справляется с более длительными масштабами движения и взаимодействий. Рентгеновская кристаллография, используемая для определения структур белков, лучше работает с меньшим движением и большим временем. Команда смогла учесть как динамическую природу K-Ras, так и его взаимодействие с реактивным лигандом (GTP), сначала обнаружив слабые сигналы от скрытых областей, а затем оптимизировав эксперименты ЯМР для усиления этих сигналов.

Исследование выявило две "переключающие" области в структуре K-Ras, ранее невидимые. Обе расположены рядом с белковой петлёй, где происходят наиболее опасные мутации. Команда также установила сложное динамическое поведение белкового "остова", которое усилило дополнительные особенности рядом с переключателями. Остов важен для понимания структурных свойств белка.

Эксперименты также прояснили, как нормальный белок и его мутировавшие формы отличаются. В нормальных условиях K-Ras более активен, когда связан с первым из двух партнёрских молекул, и сохраняет надлежащий контроль над множеством клеточных функций, включая возврат в неактивное состояние. При мутации K-Ras "застревает" в активной фазе и никогда не отдыхает.

"Нам нужны активные клетки, но в какой-то момент они должны остановиться. Иначе это как никогда не убирать ногу с педали газа в машине — в какой-то момент нужно убрать ногу, потому что она едет слишком быстро. В этом основная проблема: эти мутации вызывают непрекращающуюся активность клетки", — пояснил Брюшвейлер.

Теперь, когда переключающие области, связанные с мутацией, охарактеризованы, у исследователей появились новые мишени для лекарств, которые могли бы подавить мутации, не нарушая важных клеточных функций K-Ras.

"Переключатели и связанные с ними области, где переключатели взаимодействуют, — это новые кандидаты, которые мы теперь можем отслеживать с беспрецедентной детализацией. Это может не изменить мир в одночасье, но это принципиально новое знание, которое может повлиять на здоровье людей", — заключил учёный.

Будущая работа его команды и других будет поддерживаться новым прибором ЯМР с магнитным полем 1.2 гигагерца — самым мощным в США, который только что прибыл в Университет штата Огайо. Брюшвейлер является главным исследователем Национального центра сверхвысокопольного ЯМР.