Обнаружены мутации ДНК, которые не влияют на синтез белков, но воздействуют на их функции
15 декабря 2022Согласно гипотезе колебания, изменение последовательности кодона не всегда влияет на соответствующий аминокислотный остаток кодируемого белка, так как каждая аминокислота может быть закодирована несколькими кодонами. До сих пор такие синонимичные изменения генома считались «тихими» мутациями, которые не оказывают воздействие на структуру или функции белков. Учёные Пенсильванского университета (Pennsylvania State University) провели вычислительные и экспериментальные исследования, чтобы выяснить, так ли это на самом деле. Работа «How synonymous mutations alter enzyme structure and function over long timescales» («Синонимичные мутации со временем оказывают влияние на структуру и функции ферментов»), посвящённая этой теме, была опубликована в журнале Nature Chemistry.
Авторы утверждают, что «тихие» мутации могут влиять на функционирование белков. Некоторые генетические варианты не приводят к изменению последовательности аминокислот в белках, но оказывают воздействие на скорость их синтеза, из-за чего меняется структура конечного продукта, что в свою очередь сказывается на его функциональной активности. В работе подчёркнуто, что скорость синтеза белка является важным параметром, который влияет на формирование структуры белков и их дальнейшее функционирование.
«В ходе исследования мы попытались понять, как кинетические особенности могут влиять на структуру и функции белков. Этот параметр имеет значение для процесса синтеза любого белка. Нарушение образования его вторичной и третичной структуры может стать причиной развития некоторых заболеваний. Мы предполагаем, что наша работа позволит открыть особенный класс мишеней для разработки новых лекарственных препаратов», – сказал соавтор исследования Эд О'Брайн (Ed O’Brien), PhD, профессор кафедры химии Пенсильванского университета.
Учёные применили масштабное моделирование трёх ферментов Escherichia coli: хлорамфениколацетилтрансферазы III типа, d–аланин-d-аланиновой лигазы B и дигидрофолатредуктазы. Далее была произведена оценка специфической активности при наличии синонимичных мутаций.
«Мутации, которые не меняют последовательность аминокислот в белках, называют синонимичными или «тихими». Ранее считалось, что они не влияют на функции белков. Двадцать лет назад мы узнали, что не все синонимичные мутации являются «тихими»: было доказано, что они могут воздействовать на функциональную активность белков, но до сих пор было неизвестно, как эти изменения проявляются на молекулярном уровне», – сказал О'Брайн.
«По целому ряду причин некоторые кодоны транслируются на рибосомах с разной скоростью. Мы смоделировали по две мРНК для трёх ферментов – специализированных белковых соединений, которые катализируют биохимические реакции. Первая мРНК состояла из быстро транслирующихся кодонов, вторая – из медленно транслирующихся. Далее мы проанализировали, как происходит синтез белка в каждом случае, оценили структуру и активность полученных белков», – пояснил ведущий автор исследования Ян Цзян (Yang Jiang), PhD, доцент кафедры химии Пенсильванского университета.
Исследователи проанализировали особенности формирования и структуру полученных белков – и обнаружили молекулярные изменения, которые могли повлиять на активность. Полученные результаты соответствуют предположениям учёных относительно изменений активности ферментов, основанных на предыдущих исследованиях.
«С помощью масштабных моделей мы смогли обнаружить новый класс неправильной укладки белка, который был назван неовалентное запутывание лассо: часть белка образует замкнутую петлю, один конец молекулы проходит в неё и задерживается в этой позиции», – сказал Цзян.
Из-за неправильной укладки может снижаться ферментативная активность. Также при неовалентном запутывании лассо будет затруднено распознавание активного центра молекулы белками-шаперонами, которые обычно идентифицируют и повторно укладывают либо удаляют белки с нарушенной структурой.
«Мы обнаружили критические точки в процессе синтеза белка. В определённый момент происходит выбор между верным путём и тем, который приводит к неовалентному запутыванию лассо, это называется кинетическим разделением. На то, в каком направлении пойдёт синтез белка, по-видимому, влияет скорость его трансляции – кинетика процесса», – сказал О'Брайн.
Полученные данные о влиянии скорости синтеза белка на его структуру и функциональную активность необходимы для дальнейших исследований в области биохимии, биотехнологии и медицины.
