Welche Vorteile hat die Aufklärung der dreidimensionalen Struktur eines Proteins?

Proteinstrukturen , die aus Proteinkristallen oder aus konzentrierten Lösungen von reinem Protein mittels NMR erhalten werden können, sind wohl die wichtigste Quelle für unser Wissen darüber, wie Gene ihre Funktion auf molekularer Ebene erfüllen.

RCSB.org ist das Proteinstruktur-Repository in den USA. Sie schreiben monatlich eine Geschichte über eine wichtige Proteinstruktur – das ist eine großartige Möglichkeit, einige faszinierende Geschichten aufzuschnappen.

Die genauen Atompositionen einer Proteinstruktur sind aus mehreren Gründen unverzichtbar. Denn biologische Prozesse sind alle grundsätzlich chemische. Die spezifischen Positionen der Atome zeigen, wie Proteine, Nukleotide, Lipide, Medikamente und andere biologische Moleküle spezifisch interagieren.

Beispiele:

1. Proteinstrukturen bereiteten den Weg für die biologische Vererbung (Watson / Crick / Franklins DNA-Struktur)
2. Proteinstrukturen von Lysozym und Proteasen zeigten erstmals genau, wie Proteine ​​ihre Substrate binden und chemische Reaktionen enzymatisch katalysieren.
3. Proteinstruktur von Hämoglobin sowohl in Oxy- als auch in Desoxyform (dh mit und ohne gebundenen Sauerstoff). zeigten, dass Proteine ​​ihre räumliche Anordnung ändern, um ihre Funktion zu modulieren.

Diese Liste geht weiter zu neueren Durchbrüchen darüber, wie Signale und Moleküle mit der Zelle durch die Membran interagieren. Es gibt buchstäblich kein Thema in der Zellbiologie, das nicht erheblich von der Aufdeckung einer Proteinstruktur profitiert hätte.

Die Vorteile der Arbeit mit Proteinkristallen bestehen darin, dass es sich um größere Proteine ​​handeln kann und bestimmte Arten von Unterschiedsexperimenten leichter durchgeführt werden können, wenn ein Proteinkristall erhalten wird. Wenn Sie zum Beispiel einen Kristall eines 100 kDa (~900 Aminosäuren) großen Proteins haben, können Sie die Bindungstasche des Enzyms oft ohne großen Arbeitsaufwand finden.

Der Nachteil der Arbeit mit Proteinkristallen, wie Sie wahrscheinlich gut wissen, ist, dass das Erhalten von Kristallen oft eine abenteuerliche Anstrengung ist, die Monate oder Jahre in Anspruch nimmt, oft mit geringen oder keinen Ergebnissen. Ziemlich demoralisierend, bis man das Ziel trifft.

Wenn Sie erstaunt sind zu denken, dass Proteine, die oft hundert- oder tausendmal größer sind als ein Salz oder Mineral, das Sie normalerweise in Kristallen finden, dann sind Sie goldrichtig. Die Kristalle sind oft sehr winzig – ein anständiger Kristall misst auf einer Seite etwa einen Millimeter, ist aber oft nur ein Bruchteil dieser Größe. Aus diesem Grund werden Proteinkristalle oft zu Synchrotrons, Linearbeschleunigern oder anderen Freie-Elektronen-Röntgenquellen gebracht, die millionenfach intensiver sind als ein Zahnröntgen. Ich würde vermuten, dass die meisten Kristallstrukturen von Proteinen mit speziellen Beamlines erhalten werden, die speziell für die biologische Kristallographie entwickelt wurden.

Das sagt Ihnen, welche Finanzierungspriorität die Wissenschaft bereit ist, in Röntgen-Proteinkristallstrukturen zu stecken. Allein die Vorstellung, dass Proteinkristalle in der Mikrogravitation leichter zu züchten seien (zusammen mit dem geringen Gewicht des Experiments), rechtfertigte über ein Jahrzehnt an Proteinkristall-Züchtungsexperimenten auf dem Shuttle und der ISS .

Interessante Anmerkung: The Guardian (das seinen Sitz im Vereinigten Königreich hat, wo Kristallographie, Proteine ​​oder andere begannen) hat ein kurzes Video veröffentlicht, das die Höhepunkte der Beiträge der Kristallographie in den letzten 100 Jahren umreißt . Wenn Sie aufmerksam zuschauen, werden Sie sehen, wie die Proteinkristallographie mit einer Litanei von Nobelpreisen auftaucht.

Neue Gedanken: Es gibt Anzeichen dafür, dass Kristallstrukturen zu Ende gehen. Mit einer elektronenmikroskopischen Aufnahme einfach ein Bild von vielen tausend einzelnen Proteinen zu machen, die herumliegen, kann digital gemittelt werden, um Strukturen mit niedriger Auflösung zu erzeugen. Sie werden allmählich höher aufgelöst und sind viel weniger Arbeit als die Vorbereitung und Herstellung eines Proteinkristalls - und es funktioniert gut auf größere Proteine ​​und Proteinkomplexe!

Ich habe mich das auch immer gefragt, aber die Struktur eines Proteins kann aus verschiedenen Gründen sehr wichtig werden. Die meisten beziehen sich auf die Tatsache, dass die Proteinfunktion oft von spezifischen Domänen abhängt, und obwohl ein Protein mehrere funktionelle Domänen haben kann, ist es wichtig, dass alle Domänen richtig ausgerichtet und im dreidimensionalen Raum konstruiert sind. Falsch gefaltete Proteine ​​haben oft negative Phänotypen, daher kann es aufschlussreich sein, die falsch gefalteten Bereiche sichtbar zu machen. Vielleicht häufiger können diese Techniken verwendet werden, um ein künstlich hergestelltes Protein zu validieren, bevor es für die Therapie zugelassen wird.

Außerdem wissen wir zwar sehr leicht die Sequenz der Aminosäuren in einem Protein, wissen aber nicht unbedingt, welche nützlich sind. Eine zur Außenseite eines Proteins orientierte Region kann an einer biologischen Funktion beteiligt sein. Wenn eine spezifische Proteindomäne in das Zentrum des Proteins eingebettet ist, ist sie für eine Funktion nicht sehr verfügbar, weder für das Protein noch für andere Ziele wie Antikörper. Eines der großen Projekte in der HIV-Forschung ist jetzt zum Beispiel, eine sehr gute und sehr feine Struktur viraler Proteine ​​auf der Virushülle zu erhalten; zu wissen, welche Regionen leicht zugänglich sind, würde potenziell gute Wirkstoff-/Zell-/Antikörper-Targets ergeben.

Schließlich kann die Struktur selbst einen Einblick in die Funktion geben. Proteine ​​haben möglicherweise keine Homologie in Bezug auf die Aminosäuresequenz, aber ähnlich strukturierte Proteine ​​können ähnliche Funktionen haben. Leute, die klüger sind als ich, können diese Merkmale erkennen und können allein anhand ihrer Form einiges über ein Protein lernen.

Hier ist eine lustige kleine Anekdote, auf die ich praktischerweise gerade gestoßen bin. Es ist ein Zitat aus Your Inner Fish von Neil Shubin (© 2008) über zwei Forscher, Linda Buck und Richard Axel, die 1991 eine Familie von Genen entdeckten, die uns das Riechen ermöglichen.

Experimente zeigten, dass Geruchsrezeptoren eine charakteristische Struktur mit einer Reihe von molekularen Schleifen haben, die ihnen helfen, Informationen durch eine Zelle zu transportieren. Das war ein großer Hinweis, denn Buck und Axel konnten dann das Genom einer Maus nach jedem Gen durchsuchen, das diese Struktur ausmacht.

Etwas erweiternd, das Amory gesagt hat:

Sie sind sehr nützlich in der Arzneimittelforschung. Denn es ist absolut notwendig, dass Sie über eine Struktur verfügen, um jede Art von molekulardynamischer Simulation durchzuführen. In den frühen Phasen der Wirkstoffforschung ist es billig und einfach, diese Art von Experimenten auf einem Computer durchzuführen, anstatt einen Assay für verschiedene potenzielle Therapeutika einzurichten. Sie nehmen einfach die Kristallstruktur des Proteins und eine Struktur Ihrer Verbindung, und ein Programm simuliert, wie sie miteinander interagieren. Daran können Sie sehen, ob die Verbindung in das aktive Zentrum des Proteins eindringen kann, in welcher Orientierung sie sich befinden würde usw. Mit einem Supercomputer können Sie dies mit Hunderten von Verbindungen innerhalb weniger Stunden tun. Die Molekulardynamik hat andere nützliche Zwecke, die Wirkstoffforschung ist nur ein Beispiel.

Warum die Proteinstruktur studieren ?

„Was ist das Geheimnis des Lebens?“ Ich fragte.
„Ich vergesse“, sagte Sandra.
„Protein“, erklärte der Barkeeper. "Sie haben etwas über Protein herausgefunden."
„Ja“, sagte Sandra, „das ist es.“

[Kurt Vonnegut, Katzenwiege ]

Proteine ​​sind essentielle Moleküle in lebenden Organismen, die eine Reihe faszinierender unterschiedlicher Funktionen erfüllen. Die Bestimmung ihrer individuellen Strukturen ist wesentlich, um zu verstehen, wie sie diese Funktionen ausführen. Wir studieren sie also ganz einfach aus wissenschaftlicher Neugier.

Proteine ​​und Medizin

Wie oben angedeutet, ist der Hauptgrund, warum die meisten Wissenschaftler Proteine ​​untersuchen, wissenschaftliche Neugier, und eine Antwort auf die Frage im Titel könnte „ein besseres Verständnis des Lebens“ sein. Aber es versteht sich von selbst, dass sie erkennen, dass das resultierende Verständnis den intellektuellen Rahmen für einen Großteil der modernen Medizin liefert, und viele Proteine ​​​​werden aufgrund ihrer physiologischen oder pathologischen Relevanz für Studien ausgewählt. Allerdings betrifft nur ein kleiner Teil der medizinischen Anwendung unseres Wissens über Proteine ​​das Arzneimitteldesign, und daran sind im Allgemeinen nicht die Wissenschaftler beteiligt, die die Proteinstrukturen bestimmen, sondern die Pharmaunternehmen, die über die Ressourcen und das Fachwissen für den langen und teuren Arzneimittelprozess verfügen Entwicklung.

Proteine ​​und Wirkstoffdesign

Nichtsdestotrotz wird das Arzneimitteldesign häufig als Beispiel genannt, wenn der breiten Öffentlichkeit die medizinische Relevanz der Forschung erklärt wird, daher halte ich es für das Poster durchaus für angebracht zu fragen:

„Gibt es Beispiele für Medikamente oder Behandlungen, die erst durch eine bekannte Kristallstruktur möglich wurden?“

Da dieser Teil der Frage in keiner der Antworten angesprochen wurde, stelle ich im Folgenden einige Beispiele vor. Es ist ersichtlich, dass die aufgeführten Medikamente erst in den letzten 20 Jahren zugelassen wurden, während die erste Proteinstruktur (Myoglobin) 1958 bestimmt wurde.

*Die Vermarktung wurde 2012 aufgrund von Kontraindikationen eingestellt

Verweise

Diese Beispiele stammen aus den folgenden Übersichten, in denen Einzelheiten zu ihrer Entdeckung und andere Beispiele zu finden sind:

Neroet al. (2018) Proteinstruktur und computergestützte Arzneimittelentdeckung
Maveyraud und Mourey (2020) Protein-Röntgenkristallographie und Arzneimittelentdeckung
Staker et al. (2015) Jüngste Beiträge des strukturbasierten Wirkstoffdesigns zur Entwicklung antibakterieller Verbindungen