מבנה ראשון של אנזים מפתח COVID בטמפרטורת גוף האדם: שינויים מבניים עדינים ב'פרוטאז הראשי' של הנגיף בטווח של טמפרטורות עשויים להצביע על יעדים חדשים לתרופות אנטי-ויראליות

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
X-ray_Promo1


מדענים שחקרו אנזים נגיף הקורונה COVID-19 בטמפרטורות הנעות בין כפור לחום גוף האדם גילו שינויים מבניים עדינים המציעים רמזים לגבי אופן פעולתו של האנזים. הממצאים, שפורסמו ב IUCrJכתב העת של האיגוד הבינלאומי לקריסטלוגרפיה, עשוי להוות השראה לתכנון של תרופות חדשות למניעת COVID-19 – ואולי לעזור להתמודד עם מגיפות נגיף קורונה עתידיות.

"אף מחקר קודם לא בחן את אנזים הקורונה החשוב הזה בטמפרטורה פיזיולוגית (או גוף)", אמר דניאל קידי, ביולוג מבני באוניברסיטת סיטי ניו יורק (CUNY), שערך את המחקר בשיתוף עם מדענים במחלקת ארה"ב. של המעבדה הלאומית ברוקהייבן של אנרג'י.

רוב המבנים עד כה מגיעים מדגימות קפואות – רחוקות מהטמפרטורות שבהן פועלות המולקולות בתוך תאים חיים. "אם אתה עובד בטמפרטורה פיזיולוגית, אתה צריך לקבל תמונה מציאותית יותר של מה שקורה במהלך זיהום ממשי, כי זה המקום שבו הביולוגיה מתרחשת", אמר קידי.

בנוסף, הוסיף, הצוות השתמש בטמפרטורה ככלי. "על ידי סיבוב הכפתור הזה ולראות איך החלבון מגיב, נוכל ללמוד על המכניקה שלו – איך הוא עובד פיזית.

פענוח המבנה של Mpro

החלבון המדובר הוא הפרוטאז העיקרי (Mpro) של SARS-CoV-2, הנגיף שגורם ל-COVID-19. כמו כל הפרוטאזות, זהו אנזים שחותך חלבונים אחרים. בזיהומים ויראליים רבים, כולל COVID-19, תאים נגועים מייצרים בתחילה את החלבונים התפקודיים של הנגיף כשרשרת חלבון אחת מחוברת. פרוטאזות חותכות את החלקים, כך שהחלבונים הבודדים יכולים ליצור ולהרכיב את עצמם לעותקים חדשים של הנגיף. מציאת תרופה להשבית את Mpro עלולה לשים את הבלמים על COVID-19.

כדי לחקור את מבנה האנזים, החוקרים השתמשו בטכניקה הנקראת קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן ב-National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) של מעבדת ברוקהייבן. NSLS-II הוא מתקן משתמש של DOE Office of Science המייצר קרני רנטגן בהירות. הצגת צילומי רנטגן על דגימה מגובשת של מולקולה ביולוגית יכולה לחשוף את הסידור התלת מימדי של האטומים המרכיבים את המולקולה.

לימוד דגימות שאינן קפואות יכול להיות אתגר.

"ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך גדל הסיכוי שקרני הרנטגן יפגעו בגביש", הסביר מחבר המחקר באבאק אנדי, שמפעיל את קו קרן ה-Frontier Macromolecular Crystallography (FMX) של NSLS-II.

"כדי למזער את הנזק, אנו מסתובבים ומניעים את הגביש באופן ליניארי כשהוא נע דרך קרני הרנטגן. זה מחלק את מינון הרנטגן לכל אורך הגביש", אמר.

הוא ציין שהגודל הקטן של קרן הרנטגן ב-NSLS-II מאפשר לשמור על הקרן ממוקדת אפילו בממד הקטן ביותר של הגביש – קצה בגודל של 10 עד 20 מיליוניות המטר או קטן יותר – שכן הוא ציין. מסתובב.

"בנוסף, גלאי ה-FMX ומערכות אחרות פועלות כל כך מהר, שאנחנו יכולים לאסוף מערך נתונים מלא תוך 10-15 שניות בלבד לכל דגימה, באיכות טובה מספיק כדי לפתור מבנה לפני שיתרחש נזק משמעותי בקרני רנטגן."

מקפוא לפיזיולוגי

המדענים השתמשו ב-FMX כדי לאסוף את הסדרה הראשונה אי פעם של נתונים גבישיים של Mpro בחמש טמפרטורות שונות, החל מקריוגנית (-280 מעלות פרנהייט) למה שמכונה לעתים קרובות "טמפרטורת החדר" בקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן (~39°F ) לפיזיולוגי (98°F). הם גם חקרו את הגביש בטמפרטורת החדר תחת לחות גבוהה. לאחר מכן הם הזינו את הנתונים לסוג מיוחד של הדמיית מחשב כדי לזהות סידורים רבים אפשריים ברמה האטומית בכל סט של תנאים.

התוצאות חשפו שינויים קונפורמטיביים עדינים, כולל גמישות מוגברת בחלקים מהחלבון בטמפרטורות גבוהות יותר. הצוות ראה גם כמה תכונות שהיו ייחודיות לאנזים בתנאים פיזיולוגיים.

רוב השינויים לא היו ישירות ב"אתר הפעיל" של האנזים – החלק שמעורב ישירות בחיתוך חלבונים אחרים. במקום זאת, הם היו בחלקים של האנזים מרוחקים יותר ממקום זה. אבל הנתונים מצביעים על כך שאתרים מרוחקים אלה יכולים להשפיע על האתר הפעיל באמצעות מעין מנגנון שלט רחוק הנפוץ במערכות ביולוגיות, אמר קידי. השבתת אפילו את המיקומים המרוחקים האלה עלולה לחסום את תפקוד האנזים.

"אתה יכול לחשוב על Mpro כמעין סרט מקופל, המורכב משני חצאים זהים (יוצרים דימרים) הנקשרים יחדיו בצורה סימטרית, כמו לחיצת יד", אמר קידי. מרכז אזור לחיצת היד הזה ("ממשק הדימר") מקשר לאתר הפעיל דרך אזור לולאה גמיש של החלבון.

כפי שהסביר קידי, המדענים גילו שבטמפרטורות גבוהות יותר, "האחיזה של 'לחיצת היד' משתנה – שני הרכיבים מכוונים מעט את האחיזה שלהם. זה אומר לנו שכאשר הנגיף מדביק אותנו, ייתכן שיש סוג כלשהוא של תקשורת דרך הלולאה הזו בין ממשק הדימר לאתר הפעיל", אמר קידי.

הדרך לעיצוב תרופות

"אנחנו רואים שינויים עדינים במבנה במחקר הזה, אבל עיצוב התרופה תלוי בשינויים עדינים – פחות ממיליארדית המטר כאן, פחות ממיליארדית המטר שם", ציין קידי.

מחקרים אחרים הראו שמולקולות קטנות דמויות תרופה פחית נקשרים לאנזים בחלק מהמיקומים המרוחקים שזוהו בעבודה חדשה זו.

"אם נוכל לשכלל את המולקולות הללו, לייעל אותן, לפרט עליהן, לצבוט אותן, אז יכולנו להיות לנו דריסת רגל חדשה לשינוי תפקוד האנזים – לא באתר הפעיל, כמו בעצם כל האנטי-ויראלים לחלבון זה כרגע מכוונים, אבל באתר אחר באמצעות מנגנון אחר", אמר קידי. "הממצאים שלנו היוו את ההשראה לחקר הרעיון הזה."

תפקיד המים

חקר האנזים בלחות מוגברת גם מחקה את התנאים הפיזיולוגיים בתוך תאים מלאי מים – ועשויה לספק רמזים נוספים להנחות עיצוב תרופה.

"למחקרים אלה, לאחר בחירת הגביש שאנו רוצים ללמוד, שמנו עליו שרוול מיוחד כדי למנוע ממנו להתייבש", אמר Babak Andi של NSLS-II. "לאחר מכן, כאשר אנו שמים את הדגימה בקו הקרן לאיסוף נתוני רנטגן, אנו מסירים את השרוול ומפריחים זרם רציף של אוויר ב-99.5% לחות על גבי הגביש בזמן שאנו אוספים את הנתונים."

התוצאות חשפו מולקולות מים ספציפיות שנקשרות בצורה רופפת לאנזים, כולל אחת ליד האתר הפעיל, רק בתנאי לחות גבוהה.

"מולקולות המים האלו נותנות לך רמז לאן מעכבים עשויים להיקשר", אמר אנדי.

הקבוצה שלו חקרה מגוון של מולקולות דמויות תרופות פוטנציאליות שנראות כמחליפות מולקולות מים הקשורות חלש כשהן נקשרות ליד האתר הפעיל של Mpro. על העבודה הזו דווח במאמר שפורסם לאחרונה ב דוחות מדעיים מתיק הכתבים של Nature.

שני המדענים היו אסירי תודה על רוח שיתוף הפעולה של הצוות כולו, שכלל מדענים נוספים הן במעבדת ברוקהייבן והן ב-CUNY, כמו גם במקור האור היהלום בבריטניה.

"היה חשוב מאוד להיות מסוגל לקיים את שיתוף הפעולה מרחוק כדי לגרום לפרויקט הזה לעבוד, שבו היו לנו אנשים במקום בקו הקרן, ואנשים מחוץ לאתר שיכלו לעשות מודלים ממוחשבים", אמר קידי. "זו דוגמה אחת מני רבות במהלך המגיפה של התאחדות הקהילה המדעית."

מחקר זה נתמך על ידי משרד ה-DOE למדע באמצעות המעבדה הלאומית לביוטכנולוגיה וירטואלית (NVBL) במימון מחוק הקורונה CARES ועל ידי מימון תוכנית מחקר ופיתוח מכוונת מעבדה למחקר COVID-19 במעבדת ברוקהייבן. קו אלומת ה-FMX (17-ID-2) ב-NSLS-II ממומן על ידי משרד המדע (BES). דניאל קידי נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות (NIH, R35 GM133769). המרכז למבנה ביו-מולקולרי (CBMS) ב-NSLS-II של מעבדת ברוקהייבן, הכולל את קו קרן ה-FMX, ממומן על ידי המכון הלאומי לבריאות, המכון הלאומי למדעי הרפואה הכלליים, ועל ידי משרד המדע DOE (BER).



קישור לכתבת המקור – 2022-08-17 00:51:12

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות

עוד מתחומי האתר