Ο στρατός που αλλάζει σχήμα μέσα στα κελιά σας

Δομή ίσον λειτουργία:Αν υπάρχει ένα πράγμα που όλοι μάθαμε για τις πρωτεΐνες στη βιολογία του γυμνασίου, αυτό θα ήταν. Σύμφωνα με την ιστορία του κυττάρου στο σχολικό βιβλίο, το τρισδιάστατο σχήμα μιας πρωτεΐνης καθορίζει τι κάνει - οδηγεί χημικές αντιδράσεις, περνά σήματα πάνω-κάτω στον αυτοκινητόδρομο πληροφοριών του κυττάρου ή ίσως κρεμάει μοριακές ετικέτες στο DNA. Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι βιολόγοι πίστευαν ότι οι πρωτεΐνες που εκτελούν αυτές τις λειτουργίες είναι σαν άκαμπτα γρανάζια στον μηχανισμό του κυττάρου.

Φυσικά, μερικές φορές εμφανίζονται εξαιρέσεις. Ένας επιστήμονας μπορεί να προσκρούσει σε μια πρωτεΐνη που εκτελούσε τις λειτουργίες της τέλεια αλλά δεν είχε άκαμπτες δομές. Οι περισσότεροι ερευνητές εξέτασαν αυτές τις περιπτώσεις με πειραματικό λάθος ή τις απέρριψαν ως ασήμαντες ακραίες τιμές.

Πιο πρόσφατα, ωστόσο, οι βιολόγοι άρχισαν να δίνουν προσοχή σε αυτούς τους μετατοπιστές σχήματος. Τα ευρήματά τους καταρρίπτουν το δόγμα δομής-λειτουργίας.

Οι πρωτεΐνες είναι αλυσίδες ενωμένων αμινοξέων και πρόσφατες μελέτες εκτιμούν ότι έως και το ήμισυ της συνολικής αλληλουχίας αμινοξέων που συνθέτει τις πρωτεΐνες στον άνθρωπο δεν διπλώνει σε ξεχωριστό σχήμα. (Ενώ ορισμένες από τις πρωτεΐνες που αποτελούν αυτό το σύνολο είναι αδόμητες από άκρη σε άκρη, άλλες περιέχουν μεγάλες αδόμητες περιοχές δίπλα-δίπλα με δομημένες.) «Εν μέρει, οι άνθρωποι δεν συνειδητοποίησαν πόσο μεγάλος ήταν αυτός ο αριθμός και γι' αυτό το αγνόησαν», είπε η Τζούλι Φόρμαν-Κέι, βιοχημικός στο Νοσοκομείο για Άρρωστα Παιδιά και στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο. "Και εν μέρει απλά δεν ήξεραν τι να σκεφτούν γι' αυτό."

Αυτή η ρευστότητα - που ονομάζεται «εγγενής διαταραχή» - προικίζει στις πρωτεΐνες ένα σύνολο υπερδυνάμεων που δεν έχουν οι δομημένες πρωτεΐνες. Οι διπλωμένες πρωτεΐνες τείνουν να συνδέονται σταθερά με τους στόχους τους, όπως ένα κλειδί σε μια κλειδαριά, μόνο σε ένα ή δύο σημεία, αλλά οι πιο τεντωμένες τσαχπινιές τους είναι σαν το μοριακό Velcro, προσκολλώνται ελαφρά σε πολλές θέσεις και απελευθερώνονται με ευκολία. Αυτό το αποτέλεσμα της γρήγορης δέσμευσης στο κύτταρο είναι τεράστιο:Επιτρέπει σε εγγενώς διαταραγμένες πρωτεΐνες - ή IDP, εν συντομία - να λαμβάνουν και να ανταποκρίνονται σε μια σειρά από μοριακά μηνύματα ταυτόχρονα ή με ταχεία διαδοχή, τοποθετώντας τες ουσιαστικά ως κόμβοι ανταλλαγής μηνυμάτων κινητής τηλεφωνίας, ενσωματώνοντας αυτά τα πολλαπλά σήματα και ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας τα ως απόκριση στις αλλαγές στο περιβάλλον της κυψέλης και για να συνεχίσουν οι διαδικασίες κινητής τηλεφωνίας όπως θα έπρεπε.

Οι ερευνητές μόλις αρχίζουν να καταλαβαίνουν πώς αυτή η αλλαγή παραδείγματος θα αλλάξει αυτό που γνωρίζουμε για τα συμβάντα στο κύτταρο. Ωστόσο, ήδη, οι εκτοπισμένοι φαίνεται να έχουν τα πόδια τους σε πολλές βιολογικές διεργασίες. Μέσω της σηματοδοτικής τους ικανότητας, οι IDP βοηθούν στη ρύθμιση των πεντάλ αερίου και φρένων για την παραγωγή πρωτεϊνών από τον κώδικα DNA, σύμφωνα με στοιχεία που έχουν συσσωρευτεί την τελευταία δεκαετία, καθώς και τη διαδικασία με την οποία τα κύτταρα διαιρούνται. Οι IDPs μπορεί επίσης να παρέχουν ενδείξεις που επιτρέπουν στα κύτταρα να προσλαμβάνουν χαρακτηριστικά ειδικά για διαφορετικούς ιστούς ή μέρη του σώματος. Με άλλα λόγια, μπορεί με κάποιο τρόπο να βοηθήσουν να γίνει ένα κύτταρο αίματος κύτταρο αίματος και ένα μυϊκό κύτταρο μυϊκό κύτταρο. Οι βιολόγοι διαπιστώνουν επίσης ότι πολλές διαταραγμένες πρωτεΐνες εμπλέκονται σε νευροεκφυλιστικές διαταραχές, καρκίνους και άλλες ασθένειες.

«Το κλειδί τώρα είναι ότι πρέπει να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν αυτές οι πρωτεΐνες στη βιολογία», δήλωσε ο Peter Wright, δομικός βιολόγος στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Scripps στη Λα Τζόλα της Καλιφόρνια. Σε απάντηση στις πρόσφατες αποκαλύψεις, μια διεθνής ομάδα ερευνητών ξεκίνησε ένα έργο που ονομάζεται Human Dark Proteome Initiative για να μελετήσει πώς οι διαταραγμένες πρωτεΐνες προκαλούν ασθένειες. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι έχουν ακόμα πολλά να μάθουν για το τι κάνουν αυτοί οι μετατοπιστές σχήματος. «Πρόκειται για μια αναθεώρηση της κυτταρικής βιολογίας», δήλωσε ο Madan Babu, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Cambridge.

Έξω από το πάσο

Ο Ράιτ και η στενή του συνεργάτιδα Τζέιν Ντάισον αναγνώρισαν για πρώτη φορά τη σημασία των εκτοπισμένων πριν από περισσότερες από δύο δεκαετίες. Ένας ερευνητής στο εργαστήριο του Wright εκείνη την εποχή, ο Richard Kriwacki, συνέχιζε να καταλήγει σε περίεργα αποτελέσματα προσπαθώντας να προσδιορίσει τη δομή μιας πρωτεΐνης που ονομάζεται p21, η οποία βοηθά στη ρύθμιση του τρόπου με τον οποίο διαιρούνται τα κύτταρα. «Έχεις μπερδέψει την προετοιμασία, Ριτς - δοκίμασε ξανά», του είπε ο Ράιτ. Μετά την τρίτη σειρά, όμως, κατάλαβαν ότι τα αποτελέσματα πρέπει να είναι αληθινά. Από μόνη της, η p21 φαινόταν να επιπλέει χωρίς σχήμα, αλλά όταν βρήκε την πρωτεΐνη με την οποία συνήθως συνδέεται τράβηξε την προσοχή, παίρνοντας ένα σταθερό σχήμα. Το έγγραφο του 1996 που προέκυψε ήταν ένα από τα πρώτα που αμφισβήτησαν άμεσα το παράδειγμα δομής-λειτουργίας.

Την ώρα που ο Kriwacki έκανε τα πειράματά του, περίπου 1.200 μίλια βόρεια στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, ο βιοχημικός A. Keith Dunker άκουγε μια ομιλία από έναν πρώην φοιτητή που ονομαζόταν Charles Kissinger. Ο ομιλητής περιέγραψε θλιβερά τις δυσκολίες του στον προσδιορισμό της δομής μιας πρωτεΐνης του ανοσοποιητικού συστήματος που ονομάζεται καλσινευρίνη:Κάνε ό,τι μπορούσε, μια πολύ μεγάλη περιοχή της πρωτεΐνης απλά αρνήθηκε να εστιαστεί. Ο Κίσινγκερ συνειδητοποίησε ότι αυτό το τμήμα δεν πρέπει να είναι δομημένο, ωστόσο ήξερε ότι περιείχε το κέντρο ελέγχου για μερικά από τα πιο σημαντικά καθήκοντα της πρωτεΐνης, όπως η ρύθμιση των αλληλεπιδράσεών της με άλλα μόρια και η ενεργοποίηση και απενεργοποίηση της δικής της δραστηριότητας. Η ομιλία θύμισε στον Dunker τη δική του έρευνα για μια ιική πρωτεΐνη που είχε έναν ύπουλο τρόπο να μολύνει τα κύτταρα:Διπλωμένη, ήταν πολύ μεγάλη για να περάσει μέσα από τη μεμβράνη του κυττάρου, αλλά άνοιξε το δρόμο της τεντώνοντας χαλαρή και δισκέτα σαν ένα κομμάτι της χορδής και της ολίσθησης.

Αυτό έκανε τον Dunker να σκεφτεί - θα μπορούσε να υπάρχει κάτι σχετικά με την ίδια τη φύση της διαταραχής που να διευκολύνει αυτές τις ποικίλες λειτουργίες; «Ήταν σαν το παροιμιώδες καρτούν, με τη λάμπα να σβήνει», θυμάται. "Σοβαρά, εκείνο το απόγευμα άλλαξα εντελώς την έρευνά μου."

Άρχισε να ψάχνει στην επιστημονική βιβλιογραφία για περισσότερα παραδείγματα διαταραγμένων πρωτεϊνών και γρήγορα βρήκε 15 ή 20 από αυτές, όλες περιγραφόμενες ως μεμονωμένες παραξενιές. Στη συνέχεια, αυτός και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν ένα πρόγραμμα υπολογιστή που χαρτογράφησε τις αλληλουχίες των αμινοξέων που σχημάτιζαν κάθε πρωτεΐνη και τις σύγκρινε με τις αλληλουχίες των δομημένων πρωτεϊνών. Κανονικά, οι πρωτεΐνες διπλώνουν επειδή ορισμένα αμινοξέα κάνουν ό,τι μπορούν για να αποφύγουν την επαφή με το υγρό με βάση το νερό στο κύτταρο. Ακριβώς όπως το λάδι μαζεύεται στο νερό, οι υδρόφοβες περιοχές μιας πρωτεΐνης συσσωματώνονται για προστασία και τα μέρη της πρωτεΐνης που δεν τους πειράζει το νερό διπλώνουν πάνω τους. Η ανάλυση του Dunker αποκάλυψε ότι οι διαταραγμένες πρωτεΐνες είχαν πολύ διαφορετικές αλληλουχίες αμινοξέων από τις δομημένες. Όταν έψαξε για αυτές τις διαφορές στις βάσεις δεδομένων των πρωτεϊνών με αλληλουχία, εμφανίστηκε ένας εκπληκτικά μεγάλος αριθμός διαταραγμένων υπόπτων. Ακόμη πιο ενδιαφέρον, ένα υψηλότερο ποσοστό της αλληλουχίας πρωτεΐνης είναι διαταραγμένο σε πιο σύνθετους οργανισμούς — για παράδειγμα, περίπου το 20 τοις εκατό των αμινοξέων στο βακτήριο Escherichia coli είναι διαταραγμένοι, αλλά το ποσοστό είναι τουλάχιστον διπλάσιο στους ανθρώπους.

Οι βιολόγοι στο σύνολό τους, ωστόσο, δεν είχαν πειστεί ότι οι εκτοπισμένοι έκαναν κάτι ενδιαφέρον ή σημαντικό. Πολλοί υποστήριξαν ότι ενώ οι πρωτεΐνες μπορεί να ξεδιπλωθούν σε ένα τεχνητό εργαστηριακό περιβάλλον, πρέπει να παίρνουν σχήμα όταν βρίσκονται μέσα σε ένα κύτταρο. Και ακόμα κι αν είναι σε θέση να περιπλανηθούν λίγο στις φυσικές τους καταστάσεις μέσα στο κελί, σίγουρα κουμπώνουν σε δομημένες θέσεις όταν συναντούν τους δεσμευτικούς συνεργάτες τους, όπως έκανε το p21 του Kriwacki. Οι σκεπτικιστές πίστευαν ότι οποιεσδήποτε διαταραγμένες πρωτεΐνες έπρεπε να είναι εφάπαξ - ακραίες τιμές - και ότι το κλασικό δόγμα δομής-λειτουργίας ίσχυε.

«Η απάντησή μας σε αυτό ήταν:Δεν είναι αλήθεια», είπε ο Ράιτ.

Λειτουργία χωρίς δομή

Η πρωτεϊνική διαταραχή εμφανίζεται κατά μήκος μιας συνέχειας. Στο ένα άκρο του φάσματος βρίσκονται πρωτεΐνες όπως η p21, οι οποίες αναδιπλώνονται σε επαφή με άλλες πρωτεΐνες. Στο άλλο άκρο υπάρχουν εκείνα που παραμένουν χαλαρά και δισκέτα, σαν βρεγμένα νουντλς, χωρίς να παίρνουν ποτέ σχήμα. Οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ακόμη πώς αυτό το εύρος αντιστοιχεί στις ευέλικτες λειτουργίες τους, αλλά το να είναι περισσότερο σαν μια χορδή παρά σαν ένα κομμάτι με κλειδαρότρυπα σημαίνει ότι μια πρωτεΐνη μπορεί να κάνει πολλές επαφές με άλλα μόρια για να ρυθμίσει το δίκτυο σημάτων που οδηγεί το κύτταρο. "Έχετε όλους αυτούς τους διακόπτες on-off για όλα τα είδη λειτουργιών", είπε ο Dunker.

Όμως, παρόλο που οι IDP σε πολυκύτταρους οργανισμούς αποτελούν το 30 έως 50 τοις εκατό —ανάλογα με τον οργανισμό— των πρωτεϊνών που μπορούν να παράγουν τα γονίδια, αποδεικνύεται ότι ανά πάσα στιγμή υπάρχουν στο κύτταρο σε μικρές μόνο ποσότητες. Ο Μπάμπου έκανε αυτή την ανακάλυψη το 2008, αφού ένας ερευνητής στο εργαστήριό του έθεσε μια βαρετή ερώτηση:Αν αυτές οι πρωτεΐνες που ξεδιπλώθηκαν ήταν στην πραγματικότητα τόσο κοινές, και αν πολλές από αυτές επέπλεαν γύρω από το κύτταρο σαν μακαρόνια, γιατί δεν μπερδεύονταν όλες , ή προκαλώντας προβλήματα στο κύτταρο μπερδεύοντας άλλα μόρια; Όταν εξέτασαν μια βάση δεδομένων με περίπου 5.000 ανθρώπινες πρωτεΐνες, διαπίστωσαν ότι οι περισσότερες αδόμητες πρωτεΐνες εκφράστηκαν σε μικρές ποσότητες και καταστράφηκαν γρήγορα αφού είχαν κάνει τη δουλειά τους.

Ο λόγος για τον οποίο τα κύτταρα ρυθμίζουν την παραγωγή τους τόσο στενά και φροντίζουν να αναποδογυρίζουν τόσο γρήγορα είναι ότι οι εκτοπισμένοι εκτοπίζονται σε μεγάλο βαθμό, είπε ο Babu. Το να έχεις πάρα πολλούς θα ήταν σαν να έχεις πλεόνασμα ανώτερων στελεχών  — με πάρα πολλούς ανθρώπους να φωνάζουν εντολές, η παραγωγικότητα σταματάει. Επεκτείνετε αυτή τη λογική σε ένα κελί, ωστόσο, και τα πράγματα μπορεί να γίνουν άσχημα:Επειδή τα IDP ρυθμίζουν τον τρόπο με τον οποίο επικοινωνούν τα διάφορα στοιχεία του κυττάρου μεταξύ τους, η ύπαρξη επιπλέον αντιγράφων που επιπλέουν μπορεί να τους αφήσει να στέλνουν σήματα που δεν πρέπει να σταλούν. "Αυτές οι πρωτεΐνες είναι τόσο επικίνδυνες που δεν έχετε την πολυτέλεια να μην τις ρυθμίσετε", είπε ο Babu.

Η μελέτη του Babu ήταν η πρώτη που αποκάλυψε μια βιολογική αρχή για το πώς ρυθμίζονται οι διαταραγμένες πρωτεΐνες στο κύτταρο. Το επόμενο έτος, μια εργασία από την ομάδα του Ben Lehner στο Κέντρο Γονιδιωματικής Ρύθμισης στη Βαρκελώνη της Ισπανίας, οδήγησε το θέμα στο σπίτι:Όταν ένα κύτταρο παράγει πάρα πολλές από αυτές τις πρωτεΐνες, βρήκαν, πεθαίνει. Επιδεικνύοντας τη βιολογική σημασία της διαταραχής, αυτό το ζευγάρι χαρτιών έβαλε το πεδίο στον χάρτη, είπε ο Kriwacki. "Πολλοί βιολόγοι είδαν ότι οι εγγενώς διαταραγμένες πρωτεΐνες είναι πραγματικά σημαντικές — δεν είναι απλώς αποκύημα της φαντασίας μιας ομάδας δομικών βιολόγων."

Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η σημασία των εκτοπισμένων ατόμων αγνοήθηκε μέχρι τότε, επειδή μέχρι πρόσφατα, οι περισσότερες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των πρωτεϊνών θα τις είχαν χάσει, είπε ο Babu. "Είναι σαν το κλασικό παράδειγμα της αναζήτησης του κλειδιού κάτω από το αμπαζούρ."

Η πιο δημοφιλής προσέγγιση για τον προσδιορισμό του σχήματος των πρωτεϊνών ήταν μια τεχνική που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1960 που ονομάζεται κρυσταλλογραφία πρωτεϊνών. Η κρυσταλλογραφία πρωτεΐνης περιλαμβάνει τον διαχωρισμό ενός καθαρού δείγματος της πρωτεΐνης, την παρακίνηση της πρωτεΐνης να κρυσταλλωθεί, στη συνέχεια τη λήψη ακτίνων Χ στον κρύσταλλο και τη χαρτογράφηση του σημείου που το φως αναπηδά. Το πρόβλημα είναι ότι, επειδή δεν έχουν σταθερό σχήμα, οι IDP δεν κρυσταλλώνονται. Αυτό άφησε τους ερευνητές να αγνοούν τις πρωτεΐνες που ήταν εντελώς διαταραγμένες ή να βρίσκουν τρόπους για να κόψουν τα διαταραγμένα μέρη. «Οι περισσότεροι κρυσταλλογράφοι, συμπεριλαμβανομένου και εμένα, θεωρούσαν αυτά τα πράγματα σκουπίδια – ήταν πράγματα από τα οποία έπρεπε να ξεφορτωθείς για να αποκτήσεις τους κρυστάλλους», είπε ο James Hurley στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. "Το πολύ τους θεωρούσαμε ως συνδετήρες που συνέδεαν τα ενδιαφέροντα κομμάτια."

Για αυτόν το σημείο καμπής ήρθε πριν από πέντε χρόνια, όταν ένας συνάδελφος του έδειξε δεδομένα που υποδηλώνουν ότι ορισμένες διαταραγμένες πρωτεΐνες μπορούν να σχηματίσουν υγρά σταγονίδια που υπάρχουν για λίγο αιωρούμενα στο υγρό του κυττάρου. Οι ερευνητές εξακολουθούν να μην γνωρίζουν ακριβώς πώς ή γιατί συμβαίνει αυτή η διαδικασία, αλλά ορισμένοι εικάζουν ότι συγκεντρώνει μόρια για σηματοδότηση. "Σε εκείνο το σημείο συνειδητοποίησα ότι αυτό θα ήταν μεγάλο", είπε ο Hurley.

Η τεχνογνωσία του ίδιου του Hurley είναι η αυτοφαγία, μια μορφή μοριακού αυτο-κανιβαλισμού που ήταν το αντικείμενο του Βραβείου Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής το 2016. Τα τελευταία δύο χρόνια, αυτός και άλλοι διαπίστωσαν ότι δύο διαταραγμένες πρωτεΐνες βοηθούν στην έναρξη της διαδικασίας. Ο Hurley εικάζει ότι αυτές οι διαταραγμένες περιοχές λειτουργούν σαν μια αδύναμη κόλλα, δημιουργώντας ακριβώς το σωστό επίπεδο συνοχής — όχι πολύ άκαμπτο και όχι πολύ χαλαρό — για να συγκεντρώσει τα μοριακά συστατικά που απαιτούνται για την αυτοφαγία.

Καθώς συνεχίζουν να διερευνούν τι κάνουν οι διαταραγμένες πρωτεΐνες μέσα στο κύτταρο, οι ερευνητές αναζητούν επίσης βασικά ερωτήματα σχετικά με το πώς λειτουργούν οι διαταραγμένες πρωτεΐνες. Εάν μια πρωτεΐνη έχει τόσο διαταραγμένες όσο και διατεταγμένες περιοχές, πώς αλληλεπιδρούν αυτές οι δύο; Πώς διέφερε η εξέλιξη των διαταραγμένων πρωτεϊνών από αυτή των διπλωμένων; Επίσης, πώς καταλαβαίνουν τα μόρια πού να προσκολληθούν σε διαταραγμένες πρωτεΐνες; Παρόλο που τόσο η ανάλυση υπολογιστή όσο και τα πειραματικά εργαστηριακά εργαλεία για την ανίχνευση εκτοπισμένων ατόμων έχουν βελτιωθεί τα τελευταία πέντε χρόνια, η μελέτη τους απευθείας σε ένα ζωντανό κύτταρο παραμένει μια πρόκληση, είπε ο Wright.

Οι ερευνητές θέλουν επίσης να διερευνήσουν πώς οι διαταραγμένες πρωτεΐνες συμβάλλουν στην εμφάνιση ασθενειών. Τα περισσότερα φάρμακα έχουν σχεδιαστεί για να παρεμβαίνουν σε ένα συγκεκριμένο μονοπάτι της νόσου, εισχωρώντας σε σημαντικά σημεία μέσα στο κύτταρο. Αλλά οι ερευνητές έχουν αρχίσει να στοχεύουν εκτοπισμένους.