Фермент, который не действует как фермент: NUDT5 контролирует производство строительных блоков ДНК через структуру, а не катализ

Внутри каждой клетки точно настроенная метаболическая сеть определяет, когда строить, перерабатывать или прекращать производство важных молекул. Центральная часть этой сети — метаболизм фолатов, процесс, который обеспечивает жизненно важные химические единицы для синтеза ДНК, РНК и аминокислот.

Нарушение этой системы — например, из-за генетических мутаций или недостатка фолатов в питании — может привести к последствиям от нарушений развития до рака.

Исследователи из CeMM (Исследовательского центра молекулярной медицины Австрийской академии наук) вместе с коллегами из Оксфордского университета обнаружили неожиданного участника в этом метаболическом балансе: фермент NUDT5.

Их исследование, опубликованное в Science, показывает, что NUDT5 помогает выключать производство пуринов — химического пути, который генерирует строительные блоки ДНК, — но делает это, не используя свою ферментативную активность. Вместо этого белок действует как своего рода молекулярный каркас, который физически сдерживает ключевой биосинтетический шаг, когда уровень пуринов уже высок.

Новая роль для старого фермента

Пурины — это важные молекулы, которые клетки используют для построения ДНК и РНК и для хранения энергии. Их можно перерабатывать из существующего материала или производить с нуля через так называемый de novo путь — энергоемкий процесс, который должен строго контролироваться.

В своем исследовании ученые изучили этот механизм контроля, исследуя клетки с мутациями в гене MTHFD1, ключевом ферменте цикла фолатов. Метаболизм фолатов обеспечивает одноуглеродные единицы, необходимые для синтеза пуринов, а дефекты этого пути вызывают редкие генетические заболевания и влияют на риск развития рака.

Используя комбинацию генетического скрининга, метаболомики и химической биологии, команда обнаружила, что белок NUDT5 взаимодействует с другим ферментом, PPAT, который катализирует первый этап синтеза пуринов. Когда уровень пуринов повышается, NUDT5 связывается с PPAT и, вероятно, блокирует его в неактивной форме — фактически сообщая клетке прекратить производство новых пуринов.

Удивительно, но эта функция NUDT5 не зависит от его известной ферментативной активности, которая расщепляет производные нуклеотидов. Даже когда его каталитический сайт был химически заблокирован или генетически инактивирован, белок продолжал регулировать синтез пуринов. Только когда NUDT5 полностью удаляли — либо с помощью генетического нокаута, либо с помощью новой молекулы, которая селективно его разрушает, — клетки теряли этот механизм контроля.

Метаболический контроль с медицинскими последствиями

Открытие проливает новый свет на то, как клетки ощущают и реагируют на изменения в своей метаболической среде.

«NUDT5 долгое время классифицировался как фермент, гидролизующий метаболиты», — говорит Стефан Кубичек, главный исследователь в CeMM и старший автор исследования. — «Но наша работа раскрывает совершенно другую роль — он действует как структурный регулятор, который определяет, будет ли клетка продолжать производить пурины или нет».

Этот механизм также может объяснить, почему некоторые клетки становятся устойчивыми к определенным противораковым препаратам. «Многие химиотерапевтические средства, такие как 6-тиогуанин, работают, имитируя молекулы пуринов и блокируя синтез ДНК, — объясняет Туан-Ань Нгуен, соавтор исследования. — Но мы обнаружили, что клетки без функционального взаимодействия NUDT5–PPAT были менее чувствительны к этим методам лечения, что позволяет предположить, что мутации в NUDT5 могут способствовать лекарственной устойчивости опухолей».

Ключевая роль NUDT5 в контроле чувствительности к противораковым препаратам также подтверждается аналогичными выводами лаборатории Ральфа ДеБерардиниса, опубликованными в том же выпуске Science.

Кроме того, исследование связывает метаболизм фолатов, синтез пуринов и заболевания, вызванные дефицитом MTHFD1, редким генетическим расстройством, которое влияет на иммунное и неврологическое развитие.

«Поскольку пути фолатов и пуринов тесно связаны, понимание этой регуляторной сети в конечном итоге может помочь в разработке новых терапевтических подходов», — добавляет Джун-Минг Джордж Лин, соавтор исследования.

Коллабораторы в лаборатории Киллиана Хубера в Оксфорде также разработали химический деградер под названием dNUDT5, который может селективно удалять NUDT5 из клеток. Этот инструмент позволит ученым более детально изучить путь и может предложить будущие возможности для защиты здоровых клеток от побочных эффектов химиотерапии.

«Наши выводы подчеркивают, что ферменты могут действовать не только через химические реакции, которые они катализируют, но и через свою структуру, — заключает Кубичек. — Иногда именно физическое присутствие белка имеет решающее значение».