Исследователи из Онкологического центра Университета Цинциннати заглянули в прошлое на миллиарды лет, чтобы узнать больше о потенциале персонализированной медицины.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, под руководством первого автора Бибека Р. Карки и старшего автора Тома Каннингема описано исследование, в котором прослежены эволюционные истоки комплекса ферментов PRPS и изучено, как этот комплекс функционирует и влияет на клеточную биохимию.
Учёные сосредоточились на одном из важнейших и эволюционно консервативных метаболических ферментов — фосфорибозилпирофосфатсинтетазе (PRPS). Большинство клеток млекопитающих производят четыре отдельных белка, связанных с PRPS: PRPS1, PRPS2 и ассоциированные с PRPS белки 1 и 2 (AP1 и AP2).
Карки отметил, что подавляющее большинство исследований за последние 30 лет было сосредоточено на PRPS1 или PRPS2 как на отдельных самостоятельных ферментах. Это связано с тем, что они могут функционировать таким образом изолированно, что облегчает биохимические и структурные исследования. Поскольку AP1 и AP2 не обладают необходимыми для катализа свойствами, их роль остаётся плохо изученной.
«В каком-то смысле AP1 и AP2 были как „зомби“-ферменты», — сказал Карки, докторант по биологии рака в лаборатории Каннингема. «Они существуют, но, похоже, у них нет каталитических свойств».
Команда хотела понять, какую роль AP1 и AP2 играют в функционировании фермента PRPS, и им было любопытно, почему гены, кодирующие эти предположительно «мёртвые» ферменты, сохранились в ходе эволюции.
«Если ген эволюционно консервативен, это означает, что он неоднократно поддерживался природой», — объяснил Карки. «Это указывает на то, что он должен делать что-то важное; в противном случае природа позволила бы ему исчезнуть».
Чтобы узнать больше о потенциальной роли AP1 и AP2 в клетках, команда проследила эволюционную историю каждого гена, кодирующего PRPS, который сегодня обнаружен в клетках млекопитающих.
PRPS1 — это исходная версия фермента, которая попала в эукариоты благодаря бактериальному донору миллиарды лет назад. Первым паралогом (копией гена), который появился, был AP2, который возник в линии, содержащей животных и грибы, более 1 миллиарда лет назад.
Миллионы лет спустя AP1 и PRPS2 возникли из AP2 и PRPS1 в результате дублирования генома, которое помогло дать начало челюстноротым позвоночным.
«Эти паралоги сохранились у различных видов челюстноротых позвоночных: у акул, костистых рыб, амфибий, рептилий и млекопитающих», — сказал Карки. «Можно представить, насколько важными могут быть эти белки».
Все четыре белка сохранились в течение сотен миллионов лет эволюции, каждый из них обладает специфическими эмерджентными свойствами.
Помимо наблюдения их присутствия в линии, содержащей животных и грибы, исследователи отметили, что эукариотические организмы, столь же разные, как растения, амёбозои и другие простейшие, демонстрируют сходную тенденцию к дублированию и сохранению копий генов, кодирующих PRPS, что подчёркивает важность этих событий для метаболической адаптации более сложных форм жизни на этой планете.
Каннингем, доктор философии, исследователь онкологического центра и доцент кафедры биологии рака в Медицинском колледже Университета Цинциннати, отметил: «Наличие нескольких генов, кодирующих PRPS, почти универсально среди эукариот и редко встречается у бактерий, так что это действительно интересная особенность, которая отличает эукариот от прокариот».
Команда использовала технологию редактирования генов CRISPR, чтобы «вырубить» каждую комбинацию ферментов в клеточных линиях млекопитающих, чтобы узнать больше об их функциях.
«Во всех комбинациях, которые мы пробовали, общая приспособленность клеток снижалась», — сказал Карки. «Этот эффект был наиболее выражен в клетках, которые имели только PRPS1. Они просто не были оснащены для удовлетворения клеточных потребностей, поскольку росли медленнее, производили меньше нуклеотидов и демонстрировали дефекты в митохондриальных функциях».
Исследователи использовали метод фильтрации, называемый эксклюзионной хроматографией, который показал, что четыре фермента образуют в клетках большую структуру, или комплекс, который примерно в 10 раз больше, чем структуры, создаваемые при удалении одного из ферментов из клеток.
«Что действительно поразило, так это то, как большой комплекс распадался без AP1 — или, в некоторой степени, AP2», — сказал Карки. «Таким образом, в каком-то смысле AP1 и AP2 действуют как молекулярные каркасы, помогая строить и стабилизировать более крупный ферментный комплекс».
«Мы получили первый план того, как устроен этот фермент», — добавил Каннингем. «Не на гранулярном уровне, но основы того, что взаимодействует с чем и что определяет сборку комплекса. Мы теперь понимаем эти фундаментальные детали благодаря работе Бибека».
Когда клетки были сконструированы так, чтобы экспрессировать только PRPS1, они формировали большие аберрантные сборки, которые функционировали плохо по сравнению с четырёхферментным комплексом, обнаруженным в нормальных клетках. Карки отметил, что это означает, что многие предыдущие исследования, в которых PRPS1 изолировали in vitro, вероятно, давали результаты, которые не имитируют то, как PRPS1 работает в нормальных клеточных средах.
По сути, исследователи в прошлом рассматривали только четверть полной картины. Изучение полного взаимодействия всех четырёх белков будет иметь решающее значение для будущих исследований в этой области.
«Изучение этих белков по отдельности даёт вам только часть истории», — сказал Карки. «В будущем нам, очевидно, нужно изучать эти белки вместе, потому что то, как компоненты координируют друг с другом, будет определять активные и регуляторные свойства фермента».
Карки сказал, что несколько заболеваний человека связаны с дерегуляцией ферментов PRPS, многие из которых до сих пор недостаточно изучены. Изучение того, как мутации влияют на весь комплекс PRPS, может открыть новые возможности для понимания и потенциального терапевтического применения.
Каннингем сказал, что, поскольку ферменты PRPS являются единственным путём превращения сахаров в нуклеотиды для формирования строительных блоков РНК и ДНК, существует большой потенциал для разработки персонализированных методов лечения, направленных на повышение или ограничение активности ферментов PRPS.
«В контексте рака вы можете захотеть ограничить активность PRPS, чтобы подавить производство нуклеотидов и замедлить рост опухоли», — сказал он.
«Вы можете захотеть повысить активность в случае синдрома дефицита нуклеотидов. Раскрытие основ архитектуры комплекса даёт нам точку опоры для следующих шагов, которые позволят нам перевести наши знания в новую диагностику и терапию, которые могут улучшить здоровье пациентов».