Mechanizm działania oraz pierwsze wysokorozdzielcze struktury dużego kompleksu białkowego o nazwie Elongator, uzyskane z zastosowaniem kriomikroskopii elektronowej, opisali naukowcy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Wyniki ich badań opublikowało czasopismo „Nature Communications”.
Obecność różnych modyfikacji w tRNA ma duży wpływ na biosyntezę białek. Tzw. chwiejna urydyna (ang. wobble uridine) antykodonu jest modyfikowana przez duży kompleks białkowy o nazwie Elongator. Mutacje genomowe w którejkolwiek z podjednostek kompleksu są związane z występowaniem wielu ludzkich chorób o podłożu neurologicznym.
Naukowcy z Grupy Badawczej Maxa Plancka z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, pracujący pod kierunkiem dr. hab. Sebastiana Glatta, zrealizowali swój wieloletni cel, jakim było zrozumienie mechanizmu działania ludzkiego Elongatora. Badania zostały przeprowadzone we współpracy z uczonymi z Uniwersytetu w Kassel i Uniwersytetu Technicznego w Berlinie.
Elongator jest kompleksem białkowym składającym się z dwóch odrębnych podkompleksów: Elp123 i Elp456. Grupa karboksymetylowa (cm5) wprowadzona przez Elongator służy jako podstawa do syntezy kolejnych powiązanych modyfikacji. Cząsteczki tRNA ze zmodyfikowaną chwiejną urydyną wiążą się optymalnie z rybosomami, zapewniając poprawne fałdowanie nowo powstających białek.
Naukowcom z UJ udało się określić strukturę ludzkiego Elongatora o najwyższej dotąd opublikowanej rozdzielczości (2,9 Å). Struktura przedstawia ludzki ELP123 w kompleksie z tRNA i cząsteczką acetylo-CoA oraz organizację miejsca aktywnego wraz z pętlą antykodonu tRNA, która zawiera cel modyfikacji – chwiejną urydynę. Struktura ta pozwoliła zidentyfikować nieprzewidzianą rolę innej powszechnie zachowanej dla aktywności ELP123 urydyny, która znajduje się obok chwiejnej urydyny. Praca przedstawia także dodatkowe struktury obrazujące kompleks podczas różnych pośrednich etapów reakcji modyfikacji.
Autorzy zidentyfikowali również szereg zachowanych reszt aminokwasowych zlokalizowanych w miejscu aktywnym podjednostki katalitycznej, które są niezbędne do przeprowadzenia reakcji chemicznej. Wszystkie odkrycia zostały zweryfikowane i poparte eksperymentami in vivo i in vitro.
To ekscytujące, że pomimo wcześniejszych intensywnych badaniach Elongatora, pojawienie się nowych technik pomaga nam rzucić wyzwanie naszej wiedzy na temat kompleksu i jego aktywności enzymatycznej – dr Nour-el-hana Abbassi i dr Marcin Jaciuk, współautorzy badania.
Dr hab. Sebastian Glatt dodaje, że celem jego zespołu zawsze było zrozumienie, jak ten klinicznie ważny kompleks białkowy działa u ludzi.
Nasza wysokorozdzielcza struktura ludzkiego Elp123 pozwala precyzyjnie i bezpośrednio wskazać położenie mutacji, które prowadzą do zaburzeń zdrowotnych związanych z Elongatorem i spróbować zrozumieć ich wpływ na aktywność kompleksu – wyjaśnia lider grupy w MCB UJ i laureat Nagrody NCN w 2021 roku.
Eksperymenty z zakresu biologii strukturalnej i in vitro przeprowadzono w MCB UJ przy wsparciu ośrodków biologii strukturalnej oraz proteomiki i spektrometrii mas. Dane krio-EM zostały zebrane na wysokiej klasy kriomikroskopie elektronowym Titan Krios G3i, znajdującym się w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Zespół z Kassel przeprowadził analizy in vivo, natomiast grupa z Berlina przeprowadziła eksperymenty spektrometrii masowej z sieciowaniem.
Badania zrealizowano z funduszy European Research Council i Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Wyniki opublikowało czasopismo Nature Communications.
MK