חלבונים הם מולקולות ארוכות שחייבות להתקפל למבנים תלת מימדיים מורכבים לביצוע התפקודים הסלולריים שלהם. תהליך קיפול זה משתבש מדי פעם, וכתוצאה מכך חלבונים שלא היו מקופלים, שאם לא תוקנו, יכולים להוביל למחלות. כעת, מחקר חדש תיאר מנגנון פוטנציאלי שיכול לעזור להסביר מדוע חלבונים מסוימים התמודדו מחדש בתבנית שונה מהצפוי. החוקרים, בהובלת הכימאים בפן סטייט, מצאו כי סוג של התקף שגוי, בו החלבונים שזורים זה בזה באופן שגוי את הקטעים שלהם, יכולים להתרחש וליצור מחסום לתהליך הקיפול הרגיל. תיקון תקף שגוי זה דורש אנרגיה גבוהה או התפתחות נרחבת, המאטה את תהליך הקיפול המוביל לתבנית הבלתי צפויה שנצפתה לראשונה בשנות התשעים.
אד אובריאן, פרופסור לכימיה במכללת אברלי למדע, אמר כי "חלבונים שלא היו מקופלים באופן שגוי יכול לתקלה ולהוביל למחלות," אמר אד אובראיין, פרופסור לכימיה במכללת אברלי למדע, שכר משותף של המכון למדעי החישוב והנתונים בפן סטייט ומנהיג צוות המחקר. "לכן, הבנת המנגנונים המעורבים בתהליך הקיפול יכולה לעזור לחוקרים למנוע או לפתח טיפולים במחלות הנגרמות כתוצאה מתקפלות שגויה."
מאמר המתאר את המחקר, שהשתמש בשילוב של הדמיות מחשב וניסויים מחדש מחדש לתיאור הקינטיקה המתקפלת של חלבון הנקרא Phosphoglycare kinase (PGK), הופיע היום (14 במרץ) בכתב העת Science Advances.
עבור מרבית החלבונים אנו מודלים את תהליך הקיפול כאילו יש שתי מצבים, מקופלים או נפרשים. כאשר אנו עוקבים אחר התקדמות של חלבון מחופשה לקיפול, אנו רואים דפוס תלוי זמן אופייני שאנו מכנים את הקינטיקה המתקפלת של החלבון. בדרך כלל, חלקם של חלבונים שנפרשים יורד באופן אקספוננציאלי עד שלמעשה כל החלבונים מקופלים, אך חלק מהחלבונים אינם מתאימים לדפוס הזה, ואנחנו התעניינו במנגנונים שעשויים להסביר זאת. "
יאנג ג'יאנג, עוזר פרופסור למחקר לכימיה במכללת אברלי למדע בפן סטייט וסופר הראשון של העיתון
התבנית המתקפלת הלא שגרתית של PGK נצפתה לראשונה בניסוי לפני למעלה מ 25 שנה. בעוד שרוב החלבונים מתאימים למודל "שתי מדינות" של קינטיקה מתקפלת אקספוננציאלית, מולקולות PGK עקבו אחר דפוס שונה כדי להגיע למצב מקופל לחלוטין. תבנית חדשה זו תוארה כ"קינטיקה חוזרת -אקספוננציאלית נמתחת ", אך המנגנון המבני שהסביר את ההבדל הזה נותר תעלומה – עד כה. צוות המחקר שיער כי מעמד של התקף שגוי שתואר לאחרונה עשוי להיות אחראי לסטייה של PGK מהמודל המסורתי של שתי מדינות של קיפול.
אובריאן אמר כי "הסתבכות לאסו לא קוולנטית היא מעמד של התקפה לא נכונה שזיהינו במקום בו לולאה של החלבון לוכדת קטע אחר של החלבון, ובעצם שזורה את עצמה בצורה לא נכונה". "אם חלבון כמו PGK נוטה יותר לסוג זה של התקף מוטעה, זה יכול לעזור להסביר מדוע אנו רואים את הקינטיקה המפוצצת-אקספוננציאלית הנמתחת."
כדי לבחון השערה זו, צוות המחקר בנה לראשונה מודל מחשב כדי לדמות את תהליך הקיפול של PGK. ההדמיות שלהן חיפשו מחדש את הקינטיקה האקספוננציאלית הנמתחת שנראתה בניסויים הקודמים. לאחר מכן הם בדקו את שלבי הביניים של תהליך הקיפול בהדמיות שלהם כדי לבדוק אם היו שינויים מבניים שיכולים להסביר את ההפעלה מחדש המתוחה.
"מצאנו כמה דוגמאות לקיפול שגוי הכרוך בהסתבכויות", אמר ג'יאנג. "לפעמים נוצרה הסתבכות חדשה ולפעמים הסתבכות שהייתה חלק מהמבנה הילידי של החלבון לא הצליחה להיווצר. בהדמיות שלנו, נוכל להסיר את אירועי הקיפול השגוי הזה וראינו שהחלבון מקופל עם התבנית האקספוננציאלית הדו-מדינית הטיפוסית."
כדי לאשר את תוצאות ההדמיה שלהם, צוות המחקר, שכלל את הניסוי סטיבן פריד וחברי מעבדה באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, בדק את השונות המבנית של PGK לאחר סיבוב מחדש בניסויים. הם מצאו כי המדינות המקופלות שגויות שחזו בהדמיות היו בקנה אחד עם האותות המבניים שנצפו בניסוי בחלבון המוחזר. הם גם מצאו כי המדינות המקופלות הללו היו ארוכות שנים, מה שמרמז כי הן מהוות מרכיב מכריע בקינטיקה המתקפלת הנמתחת-אקספוננציאלית.
"בגלל אופי הסוג הזה של קיפול שגוי, החלבון נתקע", אמר ג'יאנג. "על החלבון מסלול אחורי בתהליך הקיפול כדי לתקן את הטעות, שלוקח זמן ויקר אנרגטית. ההפגנה של מנגנון זה עוזרת להרחיב את ההבנה שלנו כיצד מקופלים חלבונים ונותן דוגמא כיצד הוא יכול להשתבש. זהו מחקר בסיסי, אך בסופו של דבר הוא יכול ליידע כיצד אנו מפתחים טיפולים למחלות המקושרות לחלבון חלבון."
בנוסף לג'יאנג, אובראיין ופריד, צוות המחקר כולל סטודנט לתארים מתקדמים איאן סיטאריק ועוזר פרופסור לסטטיסטיקה של הייבין בפן סטייט, והסופר הראשון יינגזי שיא ופיאוש שארמה באוניברסיטת ג'ונס הופקינס. הדמיות מחשב וניתוח נתונים הועברו באמצעות ה- Roar Collab, אשכול מחשוב בעל ביצועים גבוהים המופעל על ידי המכון למדעי החישוב והנתונים בפן סטייט. הקרן הלאומית למדע הלאומית בארה"ב והמכונים הלאומיים לבריאות בארה"ב מימנו את המחקר.
