דגמי MhsT שהושגו מ-SPEACH_AF. קרדיט תמונה: אוניברסיטת ונדרבילט
המחקר, בהובלת Ph.D. בוגר ומחבר ראשוןאלכסנדרה סי שוורץ, היהפורסם בPNASומתמקד בהומלוג חיידקי של סימפורטרים של נוירוטרנסמיטר:נתרן. חלבונים אלה מווסתים את רמות הנוירוטרנסמיטר בסינפסות על ידי שאיבתם חזרה לתאים.
שוורץ השתמש בספקטרוסקופיה של DEER כדי לחקור את המבנה והאנרגטיקה של אBacillus haloduransחלבון, MhsT, כמודל. מעבדת Mchaourab, המתמחה ב-DEER כבר יותר מעשור, מהנדסים "מסובבים" תוויות בשני מקומות על חלבון בכל פעם, בדרך כלל על סלילים טרנסממברניים. גישה זו מאפשרת לחוקרים למדוד כיצד המרחק בין שתי תוויות הספין משתנה בין תנאים ולהסיק את מיקומם ותנועתם זה עם זה.
"DEER היא שיטת תפוקה נמוכה שבה כל פיסת נתונים דומה לפיסת פאזל", אמר שוורץ. "עליך לחבר את החלקים יחד כדי להבין כיצד מרכיבי החלבון מתאחדים ויוצרים את המבנה הכללי ואת השינויים הקונפורמטיביים הגלובליים העומדים בבסיס תפקידו."
תהליך זה היווה אתגר כשהחלה את הדוקטורט שלה. בשנת 2018, אבל חידושים טכנולוגיים מגיעים לפעמים ברגעים מתאימים: פיתוח כלי הבינה המלאכותית AlphaFold (כעת באיטרציה השלישית שלו, AlphaFold3) על ידי Vanderbilt alum וחתן פרס נובל לכימיה לשנת 2024ג'ון ג'מפר, BS'07, נתן לשוורץ דרך להתעלות על מה שהיה מסורתי אתגר טכני עצום עבור ספקטרוסקופים של DEER.
כדי להשיג מבנים שמתיישרים עם התנועות שנצפו ב-DEER, שוורץ ועמיתיו שילבו גישה מבוססת AlphaFold2 שנקראתSPEACH_OFלתוך זרימת העבודה שלהם. SPEACH_AF, אשר פותח על ידיריצ'רד א. שטיין, פרופסור עמית מחקר לפיזיולוגיה מולקולרית וביופיזיקה וחבר במעבדת Mchaourab, מייצר קונפורמציות חלבון חלופיות על ידי שינוי חישובי של יישור רצף החלבון לפני הזנתו לתוך AlphaFold2, אשר לאחר מכן מנבא את המבנה התלת-ממדי של החלבון. תהליך זה עזר לבסס נוף קונפורמטיבי מלוכד שהסביר את התמורות הפיזיקליות של MhsT במהלך הובלת ליגנד.
למה זה חשוב
מעבירי הנוירוטרנסמיטר לסרוטונין, דופמין ונוראפינפרין מעורבים במגוון הפרעות ומחלות נוירופסיכיאטריות, כולל מחלת פרקינסון, הפרעות קשב והיפראקטיביות, דיכאון, חרדה והפרעות בספקטרום האוטיסטי. NSSs הם גם מטרות מולקולריות לסמים פסיכואקטיביים - כולל סוגים מרובים של תרופות נוגדות דיכאון - וחומרים ממכרים - כולל קוקאין ואמפטמינים. שימוש בהומולוגים NSS חיידקיים מאפשר לחוקרים כמו שוורץ לקבל תובנות לגבי המנגנונים הבסיסיים של החלבונים האנושיים, ושימוש ב-DEER ו-AlphaFold2 מאפשר פרספקטיבה רחבה יותר של הדינמיקה המבנית של החלבון, תהליך שאינו פשוט כשמשתמשים בטכניקות ביולוגיה מבניות אחרות.
מרכיב מרכזי אחד במאמר שהכותבים לא ציפו לו בהתחלה היה ההתנהגות השונה של MhsT כאשר נבדקה בסביבות ממברנות שונות. באופן מסורתי, מיצלות ניקוי (חד-שכבה) שימשו להערכת דינמיקת חלבון הממברנה. עם זאת, נראה שהמבנה הפחות נוקשה שלהם ביחס לסביבת הננו-דיסק השומנים הרלוונטית יותר ביולוגית (דו-שכבה) משפיע על התנהגות החלבון. הנתונים של שוורץ מצביעים על כך שננו-דיסקים ממלאים תפקיד משמעותי במבנה ובמנגנון של NSSs יותר ממה שהודגם בעבר.
"המטרה המקורית שלי עם הניסויים הננו-דיסקים הייתה רק לאמת את נתוני המיצל, אבל במקום זאת מצאתי אפקט ייחודי שהצביע על כך שהאנרגטיות של MhsT הייתה נבדלת לכל סביבת ממברנה", אמר שוורץ. "לא רק זה, אלא שהננו-דיסקים השומנים למעשה מאפשרים ל-MhsT לעבור שינויים מתואמים שלא נצפו במיצלות."
מה הלאה
מעבדת Mchaourab, יחד עם המרכז לבינה מלאכותית יישומית בדינמיקת חלבון, בוחנת כעת את השילוב של AlphaFold וגישות בינה מלאכותיות אחרות בתכנון, ניתוח ופרשנות של נתונים ניסויים. מאמצים אלה שואפים ליצור מודלים מבניים מדויקים יותר ויותר מנתוני ניסוי, לגבש השערות מוקדמות ולייעל את תהליך איסוף הנתונים של DEER בתפוקה נמוכה כיום.
"אתה יכול ללכוד את הארכיטקטורה המבנית עם מיקרוסקופ קריו-אלקטרון או קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן, אבל הקונפורמציות שהם מספקים הם בדרך כלל תמונות של מצב בודד", אמר שוורץ. "עם שיטה חדשה זו, אנו יכולים להשיג מבנים המשלימים את המידע המבני והאנרגטי שנאסף מנתוני DEER."
עם מעבר שוורץ לכוח העבודה, מעבדת Mchaourab תמשיך בעבודתה עם DEER ו-AI ומתכננת ליישם את הגישה המשולבת שלהם למגוון רחב של חלבוני ממברנה בעלי פונקציות שונות, אם כי עם התמקדות מרכזית במשפחת ה-NSS, במיוחד NSSs יונקים. .
מעבדת Mchaourab עובדת כעת על מעביר הסרוטונין האנושי, hSERT, ותבחן את מנגנון ההובלה שלו כדי לזהות דמיון והבדלים עם חברים אחרים במשפחת הטרנספורטרים ובתקווה לספק תובנות לגבי השימור האבולוציוני של NSSs.
"ההבנה כיצד מוטציות הקשורות למחלה משפיעות על תפקוד הטרנספורטר עשויה גם להודיע לפיתוח של תרופות ממוקדות המפצות על שינויים ספציפיים במנגנונים שלהן", אמר שוורץ.
מָקוֹר:אוניברסיטת ונדרבילט
