Ученые выявляют структурные и функциональные различия в белках иммунного надзора человека

        

Человеческое тело построено для выживания. Каждая из его клеток тщательно охраняется набором иммунных белков, вооруженными почти безоружными радарами, которые обнаруживают чужую или поврежденную ДНК. Одним из наиболее важных часовых ячеек является «первый ответчик», известный как cGAS, который ощущает присутствие чужеродной и раковой ДНК и инициирует сигнальный каскад, который запускает защиту организма.

Открытие cGAS в 2012 году вызвало огненную бурю научного исследования, в результате чего было опубликовано более 500 исследовательских публикаций, но структура и ключевые особенности человеческой формы белка продолжали ускользать от ученых.

Теперь ученые Гарвардской медицинской школы и Института рака Дана-Фарбера впервые выявили структурные и функциональные различия в человеческих cGAS, которые отличают его от cGAS у других млекопитающих и лежат в основе его уникальной функции у людей

В докладе о работе группы опубликованном 12 июля в Cell описываются структурные особенности белка, которые объясняют, почему и как человеческие cGAS определяют определенные типы ДНК, игнорируя других.

«Структура и механизм действия человеческого cGAS были критическими недостающими частями в области иммунологии и онкологической биологии», – сказал старший научный сотрудник Филипп Кранчуш, доцент кафедры микробиологии и иммунобиологии в Гарвардской медицинской школе и Институте рака Дана-Фарбера. «Наши результаты, детализирующие молекулярный состав и функцию человеческого cGAS, закрывают этот критический разрыв в наших знаниях».

Важно отметить, что результаты могут информировать о конструкции маломолекулярных препаратов, адаптированных к уникальным структурным особенностям человеческого белка, – это прогресс, который обещает повысить точность cGAS-модулирующих препаратов, которые в настоящее время разрабатываются в качестве методов лечения рака.

«Несколько перспективных экспериментальных иммунных методов лечения, которые в настоящее время разрабатываются, получены из структуры мышиного cGAS, которая содержит ключевые структурные различия с человеческим cGAS», – сказал Кранзуш. «Наше открытие должно помочь усовершенствовать эти экспериментальные методы лечения и зажечь дизайн новых, а также проложить путь к структурированному дизайну лекарств, которые модулируют активность этого основного белка».

. Результаты этой работы объясняют уникальную особенность человеческого белка – его способность быть очень избирательной при обнаружении определенных типов ДНК и ее склонности к активации гораздо более экономно, по сравнению с белком cGAS у других животных.

В частности, исследование показывает, что человеческий cGAS содержит мутации, которые делают его изящно чувствительным к длинным длинам ДНК, но делают его «слепым» или «нечувствительным» к коротким фрагментам ДНК.

«Человеческий cGAS является высокодифференцирующим белком, который развил повышенную специфичность к ДНК», – сказал один из первых авторов Аарон Уайтли, докторант-исследователь в Отделе микробиологии и иммунобиологии в Гарвардской медицинской школе. «Наши эксперименты показывают, что лежит в основе этой способности».

Местонахождение, местоположение, местоположение

Во всех млекопитающих cGAS работает, обнаруживая ДНК, которая находится в неправильном месте. В нормальных условиях ДНК плотно упакована и защищена в ядре клетки – сотовый «безопасный» – где хранится генетическая информация. У ДНК нет бизнеса, свободно перемещающегося по клетке. Когда фрагменты ДНК оказываются вне ядра и в цитозоле клетки, жидкость, которая закрывает органеллы клетки, обычно является признаком того, что происходит что-то зловещее, такое как повреждение, поступающее из клетки или чужеродной ДНК из вирусов или бактерий, которое имеет пробился в камеру.

Белок cGAS работает, признавая такую ​​неуместную ДНК. Обычно он находится в спящем состоянии в клетках. Но как только он ощущает присутствие ДНК за пределами ядра, cGAS начинает действовать. Это делает другой химикат, второй мессенджер, называемый cGAMP, тем самым приводя в движение молекулярную цепную реакцию, которая предупреждает клетку о ненормальном присутствии ДНК. В конце этой сигнальной реакции ячейка либо восстанавливается, либо, если она повреждена без ремонта, она самоуничтожается.

Но здоровье и целостность клетки основаны на способности cGAS отличать безвредную ДНК от чужой ДНК или само-ДНК, высвобождаемой во время повреждения клеток и стресса. «Это отличный баланс, который удерживает иммунную систему в равновесии. Сверхактивный cGAS может вызвать аутоиммунитет или самонадуться, в то время как cGAS, который не обнаруживает чужую ДНК, может привести к росту опухоли и развитию рака», – сказал первый автор Вэнь Чжоу, докторант-исследователь в Гарвардской медицинской школе и Институте рака Дана-Фарбера.

В текущем исследовании раскрываются эволюционные изменения структуры белка, которые позволяют человеческому cGAS игнорировать некоторые встречи ДНК, реагируя на другие.

Враг, сообщник

За свою работу команда обратилась к маловероятному сотруднику, Vibrio cholerae бактерия, которая вызывает холеру, один из самых древних бедствий человечества.

Используя фермент холеры, который имеет сходство с cGAS, ученые смогли воссоздать функцию как человеческого, так и мышиного cGAS в бактерии.

Объединившись с коллегами из лаборатории бактериологического факультета Гарвардской медицинской школы Джона Мекаланоса, ученые разработали химерную или гибридную форму cGAS, которая включала генетический материал как из человеческой, так и мышиной форм белка. Затем они сравнили способность гибридного cGAS распознавать ДНК как против интактной мыши, так и интактных человеческих версий белка.

В серии экспериментов ученые наблюдали закономерности активации между различными типами cGAS, постепенно сужая ключевые различия, которые объясняли дифференциальную активацию ДНК среди этих трех.

Эксперименты показали, что из 116 аминокислот, которые отличаются человеческим и мышиным cGAS, только две составляли измененную функцию человеческого cGAS. Действительно, человеческий cGAS был способен распознавать длинную ДНК с большой точностью, но игнорировал короткие фрагменты ДНК. В отличие от этого мышиная версия белка не отличалась между длинными и короткими фрагментами ДНК

«Эти две крошечные аминокислоты превращают мир в разницу», – сказал Уайтли. «Они позволяют человеческому белку быть высокоселективными и реагировать только на длинную ДНК, игнорируя короткую ДНК, по существу делая человеческий белок более терпимым к присутствию ДНК в цитозоле клетки».

. Разбирая генетическую дивергенцию на эволюционную шкалу времени, ученые определили, что гены cGAS человека и мыши расходятся между 10 и 15 миллионами лет назад

Две аминокислоты, ответственные за обнаружение длинной ДНК и перенос короткой ДНК, обнаруживаются исключительно у людей и нечеловеческих приматов, таких как горилл, шимпанзе и бонобо. Ученые предполагают, что способность игнорировать короткую ДНК, но распознать длинную ДНК, должна была дать некоторые эволюционные преимущества. «Это может быть способ защитить от сверхактивной иммунной системы и хронического воспаления», – сказал Кранчуш. «Или может быть, что риск некоторых заболеваний человека снижается, если не признать короткую ДНК».

В последнем наборе экспериментов команда определила атомную структуру человеческого cGAS в своей активной форме, поскольку она связывается с ДНК. Для этого они использовали метод визуализации, известный как рентгеновская кристаллография, в которой показана молекулярная архитектура кристаллов белка на основе картины рассеянных рентгеновских лучей

Профилирование структуры cGAS «в действии» выявило точные молекулярные вариации, которые позволили ему избирательно связываться с длинной ДНК, игнорируя короткую ДНК

«Понимание того, что делает структуру и функцию человеческого cGAS отличным от тех, что у других видов, – это недостающая часть», – сказал Кранзуш. «Теперь, когда у нас есть это, мы можем начать разрабатывать препараты, которые работают на людях, а не на мышах».

Источник:

https://hms.harvard.edu/news/guardian-cell

      

Source link