חלבונים נקראים לעתים קרובות אבני הבניין של תאים, אבל אפילו אבני הבניין האלה צריכות להיבנות. אחד השלבים החשובים ביותר בתהליך בניית החלבונים הוא גליקוזילציה, כאשר מולקולות סוכר (גליקנים) מחוברות לחלבון המתבגר. סוכרים אלו יכולים להשפיע על אופן קיפול החלבון ותפקודו, וטעויות במהלך הגליקוזילציה עלולות להוביל למחלה.
מחקר חדש מקבוצתו של רוברט קינן באוניברסיטת שיקגו, בשיתוף עם המעבדה של ראג'אט רוהטגי באוניברסיטת סטנפורד, שופך אור כיצד ניתן לווסת את התהליך הבסיסי הזה.
"זה סיפור מסובך שיש לו הרבה רבדים מעניינים, אבל זו עוד דוגמה שבה מחקר מונע מסקרנות חושף את המנגנון הבסיסי של תהליך תאי בסיסי מאוד שקשור למחלות אנושיות", אמר קינן, שהוא פרופסור לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית ב- UChicago. העיתון פורסם השבוע ב טֶבַע.
לכידת חלבון המיוצר
קינן בילה את רוב הקריירה שלו בהתמקדות באופן שבו חלבונים נוצרים בתוך תאים, במיוחד המכונות המעורבות באופן שבו ריבוזומים – מכונות שמתרגמות מידע גנטי לחלבונים – עוגנים אל הממברנה ועוזרות להעביר חלבונים פנימה. מתוך כ-20,000 החלבונים המקודדים על ידי הגנום האנושי, כ-7,000 מיוצרים על ריבוזומים המעוגנים ברטיקולום האנדופלזמי (ER), אברון שדומה למרכז מעבר תאי כדי לעזור למולקולות לנוע בתוך או מחוץ לתאים. לאחר שריבוזום עוגן לממברנת ה-ER, ניתן להשחיל את השרשרת הגדלה לתוך ה-ER, שם היא מתחילה להתקפל או לעבור שינויים כמו גליקוזילציה.
בשנה שעברה, Mengxiao Ma, פוסט-דוקטורנט במעבדת Rohatgi בסטנפורד, פרסם מחקר שמראה כיצד חלבון בשם GRP94, שעוזר לקפל ולהבשיל חלבונים ב-ER, נמנע מלהיות "מולקולות סוכר גבוהות מדי", כלומר יותר מדי מולקולות סוכר מחוברות אליו. כאשר GRP94 עובר הגליקוזילציה, הוא מסומן על ידי התא להרס. לכך יכולות להיות השפעות במורד הזרם על חלבונים אחרים המסתמכים עליו, כולל קולטני איתות משטח התא המעורבים בהתפתחות רקמות ובתגובות חיסוניות.
כאשר GRP94 נוצר, הוא חובר לחלבון אחר בשם CCDC134 כדי לחסום את יכולתו של קומפלקס האוליגוסכריל טרנספראז (OST), המכונה הסלולרית שמאפשרת את הגליקוזילציה, מלבצע את עבודתה. מוטציות המשבשות את CCDC134 מובילות להיפרגליקוזילציה של GRP94, הגורמת להפרעה בעצמות הנקראת osteogenesis imperfecta.
בינתיים, הקבוצה של קינן חקרה כיצד פועלת ה-OST וראתה שחלבון אחר בשם FKBP11 נקשר לעתים קרובות למנגנון הריבוזום כאשר חלבונים נוצרים. באופן בלתי צפוי, GRP94 ו-CCC134 – אותם חלבונים שקבוצתו של רוהטגי חקרה – היו נוכחים גם הם.
Mel Yamsek ו-Roshan Jha, פוסט-דוקטורנטים במעבדת Keenan, השתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני קריוגני (cryo-EM) כדי לנסות לצלם תמונות של האופן שבו החלבונים הללו משתלבים יחד במהלך תהליך זה. תמונות cryo-EM הראו צורה עשויה חלקית של GRP94 שנראתה שונה מהחלבון הסופי. גרסה זו של GRP94 גייסה את CCDC134 ו-FKBP11 כ"מלווים" כדי לסייע בהגנה עליו ולחסום את היכולת של OST לגליקוזילציה שלו בזמן היווצרותו.
לכדנו את GRP94 בתהליך היצירה. יש מעט מאוד דוגמאות של חלבון כלשהו שנצפה כך. אז זו הייתה שלווה, קצת מזל טוב".
רוברט קינן, פרופסור לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית, UChicago
גיוס מלווים להגנה נוספת
בגלל הקשרים שלו לסוכרת וסרטן, יש עניין רב בניסיון לשבש את GRP94. עבודה זו מספקת צוהר לאופן שבו טיפולים תרופתיים עתידיים יכולים למקד את החלבון מבלי לשבש תהליכים תאיים חשובים אחרים. עם זאת, ניסיונות כאלה נכשלו עד כה, לעתים קרובות מכיוון שתרופות פוטנציאליות יכולות להיקשר גם לחלבונים אחרים דמויי GRP94 בתא, עם השלכות לא מכוונות. מיקוד CCDC134 או FKBP11 יכול להיות מסלול חדש לשבש סלקטיבי של GRP94 על ידי הסרת ההגנה המובנית שלו מפני היפרגליקוזילציה.
"לחשוב על זה במונחים של אבולוציה, אולי התפקיד המוקדם של FKBP11 ו-CCC134 היה להגן על כל שרשרת חלבון בהתהוות כשהיא נכנסת למיון, כדי למנוע כל סוג של אינטראקציות לא הולמות עם דברים אחרים בתא שעלולים לגרום לבעיות", אמר קינן.
"מאוחר יותר, ייתכן ש-GRP94 פיתח את היכולת להיקשר בצורה הרבה יותר הדוקה כך שהוא יכול לעכב את הגליקוזילציה שלו", המשיך. "זו הדוגמה הראשונה שראינו אי פעם לוויסות ישיר של הפעילות של OST, וזה מרתק כי זהו תהליך כה בסיסי בתאים."
המחקר, "בסיס מבני של N-glycosylation מווסת בטרנסלוקון הפרשה", נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות, האגודה האמריקנית לסרטן, קרן AP Giannini והקרן הלאומית למדע.
