כאשר חומצות גרעין כמו DNA או RNA מצטברות בציטופלזמה של התא, זה מעורר קריאת אזעקה למערכת החיסון. אנזימים בדרך כלל מנקים את חומצות הגרעין הללו לפני שהן גורמות לבעיה, אך כאשר אנזימים אלו אינם פועלים ומערכת החיסון מתקשרת, זה יכול להוביל למחלות אוטואימוניות ודלקתיות.
במחקר חדש שפורסם ב-26 במרץ 2024 בכתב העת מִבְנֶה, מדענים מחקריים של Scripps מציגים את המבנה שלא תואר קודם לכן של שניים מהאנזימים המפרקים חומצות גרעין אלה-;PLD3 ו-PLD4. הבנת המבנים והפרטים המולקולריים של אנזימים אלה היא צעד חשוב לקראת תכנון טיפולים למחלות השונות המתעוררות כאשר הם לא מתפקדים, לרבות זאבת אריתמטוזוס, דלקת מפרקים שגרונית ומחלת אלצהיימר.
אנזימים אלו חשובים לניקוי הסביבה התאית, והם גם קובעים את הסף למה שנחשב לזיהום או לא. אני מקווה שיום אחד נוכל לעזור לחולים על סמך המידע הזה".
דיוויד נמזי, דוקטורט, סופר בכיר, פרופסור במחלקה לאימונולוגיה ומיקרוביולוגיה במחקר Scripps
אנזימים הם חלבונים שמאיצים תגובות כימיות על ידי קשירה ותגובה למולקולות ספציפיות הנקראות מצעים. במקרה של PLD3 ו-PLD4, המצע הוא גדיל של RNA או DNA, שהאנזימים מפרקים נוקלאוטיד לפי נוקלאוטיד.
הצוות השתמש בקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן כדי לבנות מודלים בקנה מידה אטומי של PLD3 ו-PLD4 במספר מצבים או מצבים, מה שאפשר להם לבחון כיצד הצורות שלהם השתנו במהלך התגובה הקטליטית. זה כלל כאשר האנזימים נחו, או כאשר הם היו קשורים באופן פעיל למצע.
"המודלים האלה מאפשרים לנו לדמיין את PLD3 ו-PLD4 בצורה ברורה מאוד וברזולוציה גבוהה, כך שאנחנו יודעים בדיוק איך כל אטום מקיים אינטראקציה, כלומר אנחנו יכולים להסיק איך האנזימים פועלים", אומר המחבר הראשון מנג יואן, מדען צוות במחלקה לאינטגרטיבית ביולוגיה מבנית וחישובית במחקר Scripps.
הניתוחים המבניים גילו ש-PLD3 ו-PLD4 דומים מבחינה מבנית ושהם מפרקים את ה-DNA וה-RNA בצורה מאוד דומה, למרות ש-PLD4 הוא חלבון גדול יותר. שני האנזימים מפרקים חומצות גרעין בתהליך דו-שלבי.
"אנחנו קוראים לתהליך הזה קטליזה דו-שלבית: לנשוך ולשחרר", אומר יואן. "בשלב הראשון האנזים נוגס בגדיל הדנ"א ומפריד 'לבנה' או נוקלאוטיד בודד משאר הגדיל, ובשלב השני הוא פותח 'פה' ומשחרר את הלבנה למיחזור. "
מכיוון שהתגובה האנזימטית מתרחשת כל כך מהר – בתוך אלפיות שניות – החוקרים נדרשו להשתמש במצע חלופי כדי לדמיין את מבנה האנזימים במהלך הקטליזה. לשם כך הם הדגרו את האנזימים יחד עם מולקולה שנראית דומה מאוד ל-DNA שהאנזים מפרק בדרך כלל, אבל שהאנזימים מתפרקים הרבה יותר לאט.
שיטה זו חשפה פונקציה שלא הייתה ידועה קודם לכן עבור אחד האנזימים: בנוסף לנגיסה של נוקלאוטידים מ-RNA ו-DNA חד-גדילי, PLD4 הראה גם פעילות פוספטאז, מה שאומר שהוא עשוי להיות מעורב גם בפירוק עמוד השדרה של ה-DNA.
"אני חושב שזה מדהים שמבנה הגביש סיפר לנו על פעילות הפוספטאז הזו", אומר נמאזי. "לגלות פעילות אנזימטית חדשה זה דבר שלא נשמע בביולוגיה מבנית. זה רק בגלל שמנג הצליח לפתור מבנה כל כך מדויק ומפורט, שהוא יכול ליידע אותנו על הפעילות האנזימטית הנוספת הזו שלא היה לנו מושג לגביה".
לאחר שהבהירו את המבנה הרגיל של PLD3 ו-PLD4, החוקרים בחנו את המבנה של וריאנטים הקשורים למחלות, כולל אלצהיימר ואטקסיה ספינו-צרבלורית. ניתוחים אלו גילו כי לחלק מהווריאציות הללו הייתה ירידה ביכולת האנזימטית, בעוד שאחרות, כולל מוטציה הקשורה לאלצהיימר מאוחרת, נראו פעילים יותר.
"חלק מהנתונים שלנו מצביעים על כך שאחד מגוריאנטי האנזים הקשורים לאלצהיימר עשוי לתפקד טוב יותר, מה שהפתיע אותי, אבל הוא גם עשוי להיות פחות יציב ולהצטבר בקלות רבה יותר", אומר נמזי.
החוקרים מתכננים להמשיך ולחקור את המבנה והתפקוד של אנזימים אלה. הצעדים הבאים שלהם כוללים בחינת דרכים אפשריות לעכב את האנזימים בתרחישים שבהם הם פעילים יתר על המידה, והם גם מתכננים לחקור את האפשרות להחליף את האנזימים באנשים שנושאים גרסאות לא מתפקדות (או לא עובדות).
בנוסף ל-Nemazee ו-Yuan, מחברי המחקר, "תובנות מבניות ומכניסטיות לגבי מחלות אנדוליזוזומליות אקסונוקליזות PLD3 ו-PLD4", היו Linghang Peng, Deli Huang, Amanda Gavin, Fangkun Luan, Jenny Tran, Ziqi Feng, Xueyong Zhu, ג'ין מטסון ואיאן וילסון, כולם ממחקר סקריפס.
מחקר זה נתמך על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (מענקים R01AI142945 ו-RF1AG070775) ומכון Skaggs לביולוגיה כימית במחקר Scripps.
