Zespół naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracował kompleksową mapę strukturalną miejsc wiązania i regionów regulacyjnych ludzkiej syntazy deoksyhypuzyny. Wyniki badań wskazują nowe możliwości regulacji enzymu zaangażowanego w rozwój nowotworów, cukrzycy oraz rzadkich zaburzeń genetycznych.
Hypuzynacja to unikalny proces komórkowy – niezwykle specyficzna modyfikacja potranslacyjna aminokwasu lizyny, która występuje tylko w jednym białku w ludzkim organizmie: eIF5A. Jest ona niezbędna, by rybosomy (fabryki białek w komórce) mogły wydajnie syntetyzować białka o trudnych sekwencjach. Syntaza deoksyhypuzyny (DHS) pełni funkcję strażnika tego procesu, katalizując jego pierwszy i najważniejszy etap.
Ponieważ aktywność DHS jest często podwyższona w komórkach nowotworowych, modulowanie tego enzymu jest od lat postrzegane jako obiecująca strategia terapeutyczna. Z drugiej strony, niedobór DHS opisano niedawno jako niezwykle rzadkie zaburzenie neurorozwojowe. Dlatego też zarówno blokowanie, jak i aktywacja tego enzymu stanowią atrakcyjne ścieżki leczenia.
Aby odkryć nowe miejsca oddziaływania na DHS, naukowcy z Grupy Badawczej Sieci Poliaminowych w Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, zastosowali metodę krystalograficznego fragment screeningu (CFS). Technika ta polega na nasączaniu kryształów białka setkami maleńkich cząsteczek organicznych (fragmentów), by zidentyfikować miejsca ich wiązania w strukturze białka. Zaawansowana automatyzacja pozwoliła uchwycić dokładny model przestrzenny oddziaływań zachodzących podczas wiązania fragmentów, nawet gdy były one wyjątkowo słabe.
Dzięki krystalografii nie tylko potwierdziliśmy fakt wiązania się cząsteczek, ale przede wszystkim określiliśmy ich dokładną orientację wewnątrz enzymu – wyjaśnia dr Elżbieta Wątor-Wilk, współautorka badania. – Dzięki wysokiej rozdzielczości danych dyfrakcyjnych mogliśmy zaobserwować subtelne zmiany strukturalne w DHS, które decydują o tym, jak małe cząsteczki wpływają na aktywność tego enzymu.
Kampania screeningowa zakończyła się sukcesem, osiągając 39% trafności. Zidentyfikowano 67 unikalnych fragmentów w 136 miejscach wiązania, które pogrupowano w pięć klastrów. Jednym z najciekawszych odkryć jest związek VT00065, który kowalencyjnie modyfikuje enzym, skutecznie blokując go w stanie nieaktywnym poprzez naśladowanie naturalnego cyklu katalitycznego. Badacze zaobserwowali również nieoczekiwaną elastyczność strukturalną enzymu – niektóre fragmenty stabilizowały jego elementy regulacyjne w konfiguracjach, które dotąd nie były znane.
Nasze odkrycia tworzą fundament pod wykorzystanie screeningu fragmentów do odkrywania ukrytych „przełączników” regulacyjnych w DHS – podkreśla dr hab. Piotr Wilk, kierownik Structural Biology Core Facility w Małopolskim Centrum Biotechnologii UJ.
Najnowsze wyniki stanowią wkład zespołu kierowanego przez dr. hab. Przemysława Grudnika w zrozumienie procesów hypuzynacji na poziomie molekularnym. Wcześniej dokonali m.in. rozwiązania struktury kompleksu DHS–eIF5A przy użyciu kriomikroskopii elektronowej (cryo-EM) oraz odkryli nieenzymatyczną, regulacyjną rolę kinaz ERK 1/2 w szlaku hypuzynacji. W uznaniu za wkład w zrozumienie procesu hypuzynacji zespół uhonorowano Nagrodą Miasta Krakowa 2024.
Hypuzynacja jest wyjątkowo rzadką modyfikacją, ale jej wpływ na fizjologię komórki jest ogromny – tłumaczy szef zespołu. – Łącząc badania przesiewowe fragmentów z biologią strukturalną o wysokiej rozdzielczości, budujemy zestaw narzędzi, który może służyć zarówno badaniom podstawowym, jak i – w dłuższej perspektywie – opracowaniu bardziej selektywnych strategii terapeutycznych. Najnowsze badanie daje nam pełny wgląd w to, jak małe cząsteczki mogą oddziaływać z powierzchnią białka DHS. Zamiast skupiać się tylko na centrum aktywnym, widzimy teraz liczne punkty regulacyjne, które można wykorzystać do precyzyjnego dostrajania poziomu hypuzynacji w zależności od podłoża choroby – dodaje.
Nowo opracowana mapa strukturalna DHS stanowi kolejny kluczowy element układanki dotyczącej tej ultrarzadkiej, a jednocześnie niezbędnej modyfikacji biologicznej. Wyniki opublikowało czasopismo „Communications Chemistry”.
MK