"לא ידוע בביולוגיה מבנית" – מחקר חדש חושף מפתחות אנזימטיים לוויסות מערכת החיסון

מדענים ב-Scripps Research פיתחו מודלים מבניים ברמה אטומית של אנזימים הקשורים למצבים אוטואימוניים ודלקתיים, כמו זאבת ומחלת אלצהיימר.

כאשר חומצות גרעין, כגון DNA אוֹ RNA, מצטברים בציטופלזמה של התא, הם מעוררים התראה למערכת החיסון. בנסיבות רגילות, האנזימים מחויבים לנקות את חומצות הגרעין הללו כדי למנוע בעיות. עם זאת, אם האנזימים הללו לא מצליחים לתפקד כראוי ומערכת החיסון מתערבת, זה עלול לגרום למחלות אוטואימוניות ודלקתיות.

במחקר חדש שפורסם לאחרונה בכתב העת מִבְנֶהמדעני מחקר Scripps מציגים את המבנה שלא תואר קודם לכן של שניים מהגרעין הללו חוּמצָה-אנזימים מפרקים-PLD3 ו-PLD4. הבנת המבנים והפרטים המולקולריים של אנזימים אלה היא צעד חשוב לקראת תכנון טיפולים למחלות השונות המתעוררות כאשר הם לא מתפקדים, לרבות זאבת אריתמטוזוס, דלקת מפרקים שגרונית, ו אלצהיימר מַחֲלָה.

"האנזימים האלה חשובים לניקוי הסביבה התאית, והם גם מציבים את הסף למה שנחשב לזיהום או לא", אומר הסופר הבכיר דיוויד נמזי, דוקטורט, פרופסור במחלקה לאימונולוגיה ומיקרוביולוגיה במחקר Scripps. "אני מקווה שיום אחד נוכל לעזור לחולים על סמך המידע הזה."

פונקציונליות אנזים וטכניקות ניתוח

אנזימים הם חלבונים שמאיצים תגובות כימיות על ידי קשירה ותגובה למולקולות ספציפיות הנקראות מצעים. במקרה של PLD3 ו-PLD4, המצע הוא גדיל של RNA או DNA, שהאנזימים מפרקים נוקלאוטיד לפי נוקלאוטיד.

הצוות השתמש בקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן כדי לבנות מודלים בקנה מידה אטומי של PLD3 ו-PLD4 במספר מצבים או מצבים, מה שאפשר להם לבחון כיצד הצורות שלהם השתנו במהלך התגובה הקטליטית. זה כלל כאשר האנזימים נחו, או כאשר הם היו קשורים באופן פעיל למצע.

"המודלים הללו מאפשרים לנו לדמיין את PLD3 ו-PLD4 בצורה ברורה מאוד וברזולוציה גבוהה, כך שאנו יודעים בדיוק כיצד כל אָטוֹם מקיים אינטראקציה, כלומר אנו יכולים להסיק כיצד האנזימים פועלים", אומר המחבר הראשון מנג יואן, מדען צוות במחלקה לביולוגיה אינטגרטיבית מבנית וחישובית ב-Scripps Research.

הניתוחים המבניים גילו ש-PLD3 ו-PLD4 דומים מבחינה מבנית ושהם מפרקים את ה-DNA וה-RNA בצורה מאוד דומה, למרות ש-PLD4 הוא חלבון גדול יותר. שני האנזימים מפרקים חומצות גרעין בתהליך דו-שלבי.

"אנחנו קוראים לתהליך הזה קטליזה דו-שלבית: לנשוך ולשחרר", אומר יואן. "בשלב הראשון האנזים נוגס בגדיל הדנ"א ומפריד 'לבנה' או נוקלאוטיד בודד משאר הגדיל, ובשלב השני הוא פותח את 'פה' ומשחרר את הלבנה למיחזור. ”

מכיוון שהתגובה האנזימטית מתרחשת כל כך מהר – בתוך אלפיות שניות – החוקרים היו צריכים להשתמש במצע חלופי כדי לדמיין את מבנה האנזימים במהלך הקטליזה. לשם כך הם הדגרו את האנזימים יחד עם מולקולה שנראית דומה מאוד ל-DNA שהאנזים מפרק בדרך כלל, אבל שהאנזימים מתפרקים הרבה יותר לאט.

גילוי פונקציות אנזימטיות חדשות

שיטה זו חשפה פונקציה שלא הייתה ידועה קודם לכן עבור אחד האנזימים: בנוסף לנגיסה של נוקלאוטידים מ-RNA ו-DNA חד-גדילי, PLD4 הראה גם פעילות פוספטאז, מה שאומר שהוא עשוי להיות מעורב גם בפירוק עמוד השדרה של ה-DNA.

"אני חושב שזה מדהים שמבנה הגביש סיפר לנו על פעילות הפוספטאז הזו", אומר נמאזי. "לגלות פעילות אנזימטית חדשה זה דבר שלא נשמע בביולוגיה מבנית. זה רק בגלל שמנג הצליח לפתור מבנה כל כך מדויק ומפורט שהוא יכול היה ליידע אותנו על הפעילות האנזימטית הנוספת הזו שלא היה לנו מושג לגביה".

לאחר שהבהירו את המבנה הרגיל של PLD3 ו-PLD4, החוקרים בחנו את המבנה של וריאנטים הקשורים למחלות, כולל אלצהיימר ואטקסיה ספינו-צרבלורית. ניתוחים אלו גילו שחלק מהוריאנטים הללו הפחיתו את היכולת האנזימטית, בעוד שאחרים – כולל מוטציה הקשורה לאלצהיימר מאוחרת – נראו פעילים יותר.

"חלק מהנתונים שלנו מצביעים על כך שאחד מגוריאנטי האנזים הקשורים לאלצהיימר עשוי לתפקד טוב יותר, מה שהפתיע אותי, אבל הוא גם עשוי להיות פחות יציב ולהצטבר בקלות רבה יותר", אומר נמאזי.

החוקרים מתכננים להמשיך ולחקור את המבנה והתפקוד של אנזימים אלה. הצעדים הבאים שלהם כוללים בחינת דרכים אפשריות לעכב את האנזימים בתרחישים שבהם הם פעילים יתר על המידה, והם גם מתכננים לחקור את האפשרות להחליף את האנזימים באנשים שנושאים גרסאות לא מתפקדות (או לא עובדות).

מחקר זה נתמך על ידי ה המכונים הלאומיים לבריאות (מענק R01AI142945 ו-RF1AG070775) ו-Skaggs Institute for Chemical Biology at Scripps Research.