Misteri molekuler terpecahkan – Ilmuwan Harvard telah menemukan cara sel memecah protein yang sebelumnya tidak diketahui

Mekanisme ini memecah protein berumur pendek yang mendukung fungsi otak dan kekebalan tubuh

Protein berumur pendek mengontrol ekspresi gen dalam sel dan menjalankan peran penting mulai dari membantu komunikasi otak hingga meningkatkan respons kekebalan tubuh. Protein-protein ini berasal dari nukleus, dan dengan cepat terdegradasi setelah memenuhi tujuannya.

Selama beberapa dekade, mekanisme di balik pemecahan protein penting ini dan pembuangannya dari sel masih menjadi misteri bagi para peneliti hingga saat ini.

Dalam kolaborasi antardepartemen, para peneliti dari Harvard Medical School telah mengidentifikasi protein yang disebut medullinulin yang memainkan peran penting dalam degradasi beberapa protein nuklir berumur pendek. Studi menunjukkan bahwa meduline melakukan hal ini dengan mengambil protein secara langsung dan menyeretnya ke dalam sistem pembuangan limbah seluler, yang disebut proteasome, di mana mereka dihancurkan.

Hasilnya baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Sains.

“Protein yang berumur pendek ini telah dikenal selama lebih dari 40 tahun, namun belum ada yang mengetahui bagaimana sebenarnya protein tersebut terdegradasi,” kata rekan penulis utama Shen Guo, seorang peneliti neurobiologi di HMS.

Karena protein yang dipecah melalui proses ini memodulasi gen dengan fungsi penting yang berkaitan dengan otak, sistem kekebalan, dan perkembangan, para ilmuwan pada akhirnya dapat menargetkan proses tersebut sebagai cara untuk mengontrol kadar protein guna mengubah fungsi-fungsi ini dan memperbaiki malfungsi apa pun.

“Mekanisme yang kami temukan sangat sederhana dan elegan,” tambah penulis utama Christopher Nardoni, kandidat PhD bidang genetika di HMS. “Ini adalah penemuan ilmiah yang mendasar, namun ada banyak implikasinya di masa depan.”

Teka-teki molekuler

Telah diketahui bahwa sel dapat memecah protein dengan mengikatnya pada molekul kecil yang disebut ubiquitin. Tag tersebut memberi tahu proteasome bahwa protein tidak lagi diperlukan dan menghancurkannya. Banyak penelitian perintis mengenai proses ini dilakukan oleh mendiang Fred Goldberg di HMS.

Namun, terkadang proteasome memecah protein tanpa bantuan tag ubiquitin, membuat para peneliti mencurigai mekanisme proteolisis lain yang tidak bergantung pada ubiquitin.

“Ada banyak bukti dalam literatur ilmiah bahwa proteasome dapat secara langsung mendegradasi protein yang tidak bertanda, namun tidak ada yang mengerti bagaimana hal itu bisa terjadi,” kata Nardoni.

Salah satu kelompok protein yang tampaknya terdegradasi oleh mekanisme alternatif adalah faktor transkripsi yang diinduksi rangsangan: protein yang disintesis dengan cepat sebagai respons terhadap rangsangan seluler yang berjalan ke inti sel untuk menghidupkan gen, yang kemudian dihancurkan dengan cepat.

“Apa yang awalnya membuat saya terkejut adalah bahwa protein-protein ini sangat tidak stabil dan memiliki waktu paruh yang sangat singkat – begitu mereka diproduksi, mereka melakukan tugasnya, dan dengan sangat cepat setelah itu mereka terdegradasi,” kata Joe.

Faktor transkripsi ini mendukung berbagai proses biologis penting dalam tubuh, namun bahkan setelah penelitian selama beberapa dekade, “mekanisme pergantiannya sebagian besar masih belum diketahui,” kata Michael Greenberg, Profesor Neurobiologi Nathan March Posey di HMS Blavatnik Institute dan Harvard. Universitas. . Rekan penulis makalah ini dengan Stephen Eledge, Profesor Genetika dan Kedokteran Gregor Mendel di HMS dan Brigham and Women’s Hospital.

Dari segelintir hingga ratusan

Untuk menyelidiki mekanisme ini, tim memulai dengan dua faktor transkripsi yang sudah dikenal: Fos, yang telah dipelajari secara ekstensif di laboratorium Greenberg untuk perannya dalam pembelajaran dan memori, dan EGR1, yang terlibat dalam pembelahan sel dan kelangsungan hidup. Dengan menggunakan proteomik mutakhir dan analisis genetik yang dikembangkan di laboratorium Elledge, para peneliti berfokus pada meduline sebagai protein yang membantu memecah kedua faktor transkripsi. Eksperimen lanjutan mengungkapkan bahwa selain Fos dan EGR1, meduline juga mungkin terlibat dalam degradasi ratusan faktor transkripsi lain di dalam nukleus.

Gu dan Nardone ingat betapa terkejut dan skeptisnya mereka terhadap hasil mereka. Untuk mengkonfirmasi temuan mereka, mereka memutuskan bahwa mereka perlu mengetahui secara pasti bagaimana meduline menargetkan dan mendegradasi banyak protein berbeda.

“Setelah kami mengidentifikasi semua protein ini, ada banyak pertanyaan menggoda tentang bagaimana sebenarnya mekanisme medullinolenik bekerja,” kata Nardoni.

Dengan bantuan a pembelajaran mesin Dengan menggunakan alat bernama AlphaFold yang memprediksi struktur protein, serta hasil serangkaian percobaan laboratorium, tim dapat menjelaskan detail mekanismenya. Mereka menunjukkan bahwa meduline memiliki ‘domain penangkap’ – wilayah protein yang menangkap protein lain dan menyalurkannya langsung ke proteasome, tempat protein tersebut dipecah. Domain tangkapan ini terdiri dari dua wilayah terpisah yang terhubung Asam amino (bayangkan sarung tangan dengan tali) yang menangkap wilayah protein yang relatif tidak terstruktur, memungkinkan medullin menangkap berbagai jenis protein.

Yang perlu diperhatikan adalah protein seperti Fos yang bertanggung jawab untuk mengaktifkan gen yang memicu neuron di otak untuk terhubung dan menyambung kembali dirinya sebagai respons terhadap rangsangan. Protein lain seperti IRF4 mengaktifkan gen yang mendukung sistem kekebalan dengan memastikan bahwa sel mampu membentuk sel B dan T yang berfungsi.

“Aspek paling menarik dari penelitian ini adalah kita sekarang memahami mekanisme umum baru yang tidak bergantung pada ubiquitylation yang mendegradasi protein,” kata Elledge.

Potensi terjemahan yang menggiurkan

Dalam jangka pendek, para peneliti ingin menggali lebih dalam mekanisme yang mereka temukan. Mereka berencana untuk melakukan studi struktural untuk lebih memahami rincian bagaimana protein ditangkap dan didegradasi. Mereka juga membuat tikus yang kekurangan medullin untuk memahami peran protein dalam berbagai sel dan tahap perkembangan.

Para ilmuwan mengatakan temuan mereka memiliki potensi penerjemahan yang menggiurkan. Hal ini mungkin memberikan jalur yang dapat dimanfaatkan para peneliti untuk mengontrol tingkat faktor transkripsi, sehingga memodulasi ekspresi gen dan, pada gilirannya, proses terkait di dalam tubuh.

“Degradasi protein adalah proses yang penting, dan deregulasinya mendasari banyak gangguan dan penyakit,” kata Greenberg, termasuk beberapa kondisi neuropsikiatri, serta beberapa jenis kanker.

Misalnya, ketika sel mengandung terlalu banyak atau terlalu sedikit faktor transkripsi seperti Fos, masalah pembelajaran dan memori mungkin timbul. Pada multiple myeloma, sel kanker menjadi kecanduan terhadap protein imun IRF4, sehingga kehadirannya dapat memicu penyakit. Para peneliti secara khusus tertarik untuk mengidentifikasi penyakit yang mungkin menjadi kandidat yang baik untuk mengembangkan terapi yang bekerja melalui jalur proteasome mandulin.

“Salah satu bidang yang sedang kami eksplorasi secara aktif adalah bagaimana menyesuaikan kekhususan mekanisme sehingga dapat menganalisis protein yang diinginkan secara spesifik,” kata Gu.

Referensi: “Jalur Proteasome Medulinulin Menangkap Protein untuk Degradasi Independen Ubiquitin” oleh Shen Guo, Christopher Nardoni, Nolan Kamitaki, Uyo Mao, Stephen J. Eledge, dan Michael E. Greenberg, 25 Agustus 2023, Tersedia di sini. Sains.
doi: 10.1126/science.adh5021

Pendanaan disediakan oleh National Mah Jongg League Fellowship dari Damon Runyon Foundation for Cancer Research, National Science Foundation Graduate Research Fellowship, dan Institut Kesehatan Nasional (T32 HG002295; R01 NS115965; AG11085).