Białko o dwóch twarzach

Białka są odpowiedzialne za przeprowadzanie wszystkich ważnych procesów w komórkach żywych. Ich podstawową jednostką budulcową są aminokwasy połączone ze sobą przy pomocy wiązań peptydowych. Wśród standardowej listy tych jednostek budulcowych znajduje się 20 aminokwasów kodowanych przez odpowiednie sekwencje DNA (kodony). Ułożenie ich w odpowiedniej kolejności pozwala właściwie na nieograniczoną ilość kombinacji sekwencji, a w konsekwencji struktur przestrzennych, odpowiedzialnych za wszystkie reakcje chemiczne dziejące się w komórkach żywych. Jednakże są białka, które do „zakodowania” swojej funkcji wymagają czegoś więcej niż standardowego zestawu aminokwasów. Jedną z możliwości na rozbudowanie dostępnego zestawu są modyfikacje potranslacyjne, czyli dodawanie konkretnych grup chemicznych do powstałego łańcucha polipeptydowego. Modyfikacje potranslacyjne aminokwasów można porównać do dodawania kropek czy ogonków do liter, które zmieniają je w znaki specjalne (takie jak ą, ć, ł, ń w polskim alfabecie). Takie modyfikacje mogą wpływać na praktycznie każdy aspekt funkcjonalności danego białka np. na strukturę, stabilność, ładunek, lokalizację komórkową czy aktywność. Niektóre z modyfikacji potranslacyjnych są bardzo popularne i dotyczą wielu białek – np. fosforylacja, czyli dodawanie reszty fosforanowej do reszt seryny, treoniny czy tyrozyny, dotyczy nawet 30% wszystkich białek organizmów zwierzęcych, a enzymy przeprowadzające fosforylację mogą modyfikować wiele różnych białek. Istnieją również modyfikacje bardzo rzadko występujące, które dotyczą tylko jednego białka, a nawet pojedynczego aminokwasu na konkretnej pozycji w sekwencji białka. Przykładem takiej modyfikacji jest hypuzynacja, czyli modyfikacja potranslacyjna reszty lizyny do niestandardowego aminokwasu (hypuzyny), opisana dotychczas tylko dla jednego białka: eukariotycznego czynnika translacyjnego 5A (eIF5A). Proces ten katalizowany jest przez dwa enzymy: syntazę deoksyhypuzyny (DHS) i hydroksylazę deoksyhypuzyny (DOHH). Hypuznowane białko eIF5A dzięki długiemu łańcuchowi bocznemu hypuzyny może związać się do rybosomu i regulować proces biosyntezy białka, a w szczególności wspierać rybosom w produkcji trudnych sekwencji białek np. sztywnych sekwencji zawierających wiele reszt proliny w rzędzie.

mgr Elżbieta Wątor fot. Program LOréal-UNESCO Dla Kobiet i Nauki Hypuzynacja jest bardzo ważnym procesem dla komórek żywych i opisano wiele związków pomiędzy tą modyfikacją a m.in. nowotworzeniem, rzadkimi genetycznymi chorobami neurorozwojowymi czy cukrzycą. W ramach projektów Molekularne podstawy hypuzynacji (2019/33/B/NZ1/01839, PI: dr hab. Przemysław Grudnik) oraz Celowana inhibicja szlaku hypuzynacji (2022/47/B/NZ7/01667, PI: dr hab. Przemysław Grudnik) od kilku lat prowadzimy badania nad tym procesem w komórkach ludzkich z wykorzystaniem metod biologii strukturalnej oraz biochemii. Opisano również, że hypuzynacja jest niezbędna dla komórek różnych pasożytów takich jak np. Plasmodium vivax, Trypanosoma brucei, Entameba histolytica czy Trichomonas vaginalis. Dlatego selektywna inhibicja białek odpowiadających za proces hypuzynacji w komórkach tych organizmów mogłoby znaleźć zastosowanie  w nowych strategiach terapeutycznych.

W projekcie PRELUDIUM zainteresowałam się białkiem DHS z Trichomonas vaginalis, czyli pasożyta układu moczowo-płciowego u człowieka, który wywołuje rzęsistkowicę. Wcześniejsze raporty wskazywały, że w komórkach rzęsistka pochwowego cały proces hypuzynacji jest przeprowadzany przez jeden bifunkcjonalny enzym. Jako że nie jest to powszechne, aby jedno białko katalizowało dwie zupełnie inne reakcje, chcieliśmy z wykorzystaniem biologii strukturalnej oraz biochemii scharakteryzować unikalny przebieg hypuzynacji w komórkach tego pasożyta. Dzięki technikom biologii strukturalnej takich jak krystalografia makromolekularna czy kriomikroskopia elektronowa udało się rozszyfrować struktury białek DHS i eIF5A zaangażowanych w proces hypuzynacji, a także kompleksu pomiędzy białkami DHS-eIF5A. Komplementarne wyniki eksperymentów biochemicznych oraz analiza danych strukturalnych wskazują, że hypuzynacja w komórkach T. vaginalis jest rzeczywiście jednoetapowa, natomiast ogranicza się wyłącznie do syntezy deoksyhypuzyny. Uzyskane wysokorozdzielcze struktury krystaliczne białek z rzęsistka pochwowego wykorzystujemy również do zidentyfikowania różnic międzygatunkowych pomiędzy ortologami, co otwiera nowe możliwości projektowania inhibitorów specyficznie gatunkowych.