Используя информационный инструмент, который выявляет "hotspots" post-translational modification (PTM) активности белков, исследователи установили ранее неизвестный механизм, позволяющий затормозить важный процесс передачи клеточных сигналов с участием G белков.

Механизм, обозначенный "tail," является частью небольшого белка, известного своей ролью главным образом в прикреплении крупных структур к клеточной мембране. Когда исследователи инактивировали хвост, то сигнальная реакция, длящаяся ранее 30 мин., происходила почти немедленно с интенсивностью в 4 раза большей, чем в норме.

Исследование проведено на дрожжах, но если сходный процесс происходит и с G белками человека, то это открытие может предоставить новую лекарственную мишень для контроля за важными клеточными процессами -- потенциально открывая новый класс биосенсоров, способных более чутко определять и отвечать на определенные химические агенты.

"Мы открыли механизм, который регулирует, насколько быстро путь будет запускаться в ответ на внешние стимулы," говорит Matthew Torres. "С помощью генетического изменения контролирующего механизма, лежащего в основе этого процесса, мы способны модулировать, насколько сигналы извне клетки будут поступать внутрь клетки и насколько быстро они будут проводиться."

G proteins, также известные, как белки, связывающие нуклеотид гуанин, являются семейством молекул, оперирующих как молекулярные переключатели внутри клеток. Они передают сигналы, получаемые от разнообразных внеклеточных стимулов внутрь клетки -- посредством мембраны, которая всем остальным не позволяет коммуникации.

Хвост обнаружен Torres и Shilpa Choudhury, скорее всего, избежавший внимания из-за своей гибкости, связанной с гамма субъединицей G белка тесно взаимодействующей с группой белков, известных как G beta/gamma. Белковая структура в общем была идентифицирована с помощью техники рентгеновской кристаллографии, которая не может определить структуру, которая в движении.

Перед своей работой G gamma субъединица, как известно, выглядит как белок, который контактирует с более крупной G beta субъединицей на клеточной мембране. Без использования SAPH-ire -- информационной программы, которая картирует PTM активность, используя машинное обучение -- роль хвостовой структуры не могла быть идентифицирована.

"Годами люди концентрировались на G beta/gamma в качестве полной единицы, а не как отдельных компонентов," говорит Choudhury. "Субъединица гамма является крошечным белком по сравнению с огромной G beta субъединицей, но теперь мы знаем, что играет большую роль в активности сигнальной системы ."

У дрожжей, G beta/gamma субъединицы активируют сигнальный путь в ответ на феромоны, процесс, который обычно происходит спустя 30 мин. после стимуляции феромоном рецепторов на клеточной мембране. Torres и Choudhury предполагали, что модификации белков, PTMs, каким-то образом обусловливают задержку. Их компьютерная программа SAPH-ire -- разработанная в лаб. Torres -- выявила прямой палец в G gamma субъединице.

Программный анализ существующих мета-данных repositories белковой последовательности и PTM активности выявил "горячие точки" белковых альтераций. SAPH-ire была предназначена для ускорения поиска важных регуляторных мишеней в белковых структурах и для обеспечения лучшего понимания того, как белки общаются др. с др. внутри клетки.

Выбор из всемирной базы PTM , которая содержит масс-спетрометры, чтобы идентифицировать последовательности, которые химически изменены, SAPH-ire обнаруживает специфическое расположение на G gamma белке. Используя технику генетических мутаций, Choudhury модифицировал часть белка, чтобы выявить неактивную хвостовую структуру.

Но удаление хвоста из процесса само по себе оказалось недостаточным. Чтобы активировать процесс передачи сигналов, структура хвоста взаимодействует с отдельным эффекторным белком. Когда оба они инактивированы, то обнаружился драматический эффект стимуляции рецепторов.

"Можно представить, что этот сигнальный путь вроде колеса, спускающегося вниз по холму, где две колодки велосипедного тормоза захватывают колесо, чтобы замедлить его ход," говорит Torres. "Активация феромонового рецептора сходным образом действует как на колесо, спускающееся с горки. Когда оба тормоза активны, то колесо движется очень медленно, поскольку они действуют вместе, чтобы снизить скорость и инерцию. Это показывает, как путь ведет себя в нормальных клетках сразу после стимуляции рецепторов."

"Если у вас удален один из тормозов, то торможение частичное и колесо движется все-таки довольно быстро. Так ведет себя путь в нормальных клетках в течение первых 20 мин. после стимуляции рецепторов. Но если вы удаляете оба тормоза, то колесо будет спускаться с горки с высокой скоростью и инерцией."

Точно так происходило, когда Choudhury устраняли PTMs как с G gamma, так и с эффекторного белка. "Когда мы проделали это, то увидели, что происходит быстрая активация сигнального пути в 6 раз быстрее и в 4 раза более интенсивно, чем в нормальных условиях с рабочими тормозами."

Помимо идентификации контрольного механизма для этого пути, исследователи также поняли, как он контролирует способность дрожжей реагировать на феромоны "switch-like" способом, включая или выключая.

Поскольку Torres и Choudhury сделали свое открытие на дрожжах, но они полагали, что оно имеет более широкое распространение, поскольку все организмы, которые обладают G белками, включая и человека имеют G gamma хвосты, которые управляются с помощью PTMs. Планируется посмотреть, действительно ли того же самого типа система торможения присутствует в G gamma субъединицах и G beta/gamma эффекторы в клетках человека. Если это так, то сможет быть идентифицированы потенциально новые лекарственные мишени.

"Существование хвоста и его важность в этом процессе, контролирующем взаимодействия с, G beta/gamma эффекторами, которые существенны для включения сигнальных путей ," говорит Torres. "Мы предполагаем важность G gamma в качестве регулятора передачи сигналов G белков будут расширены за пределы одного организма."