Микроскопические изменения кислотности внутри наших клеток могут оказывать колоссальное влияние на их поведение. Этот эффект возникает из-за концентрации протонов, или pH – показателя того, насколько раствор кислый или щелочной. Белки, являющиеся основными рабочими лошадками наших клеток, особенно чувствительны к этим колебаниям. Изменение реакции белков на pH может способствовать развитию болезней, таких как рак и нейродегенеративные расстройства, например, болезнь Альцгеймера и болезнь Хантингтона.
В течение многих лет исследователи старались точно установить, как именно белки реагируют на изменение уровней pH. Традиционно идентификация pH-чувствительных белков была трудоемким процессом: необходимо было тщательно тестировать каждый белок в отдельности в пределах сигнального пути, чтобы увидеть, реагирует ли он на изменения pH. Этот кропотливый подход дал ограниченные результаты. Хотя известно, что pH играет роль в важных клеточных процессах, таких как движение и деление клеток, лишь около 70 цитоплазматических белков из огромного количества возможных было подтверждено как pH-чувствительных.
Теперь исследователи из Университета Notre Dame разработали революционный компьютерный инструмент, который значительно ускоряет этот процесс. Эта программа может анализировать сотни белков всего за несколько дней, эффективно предсказывая, какие из них чувствительны к изменениям pH и потенциально способствуют прогрессированию заболеваний.
Разгадывание молекулярного кода pH-чувствительности
Новый метод основывается на имеющихся структурных данных белков, хранящихся в глобальном репозитории под названием RCSB Protein Data Bank. Затем программа использует экспериментальные данные, известные как значения pKa, которые указывают на pH, при котором специфические аминокислоты (будущие элементы белков) приобретают или теряют протоны. Эта информация позволяет программе моделировать изменение электрических зарядов внутри белков в зависимости от уровней pH и предсказывать, как эти изменения заряда могут изменять структуру белка.
Исследователи сосредоточили свое внимание на аминокислотах, которые легко меняют заряд в узком диапазоне pH, характерном для здоровых клеток (около 7,2–7,6). Даже незначительные сдвиги этих важных зарядов аминокислот могут вызвать каскадный эффект, распространяющийся по всей структуре белка и влияющий на его функцию. Это явление называется аллостерией – непрямым регуляторным механизмом, который влияет на активность белка вдали от места, где происходят изменения pH.
Целевая терапия рака через вычислительное открытие
Программа успешно предсказала pH-чувствительность ключевого белка под названием SHP2, участвующего в сигнальном пути, иммунном ответе и развитии. Эксперименты подтвердили, что прикрепление протонов к двум специфическим остаткам в SHP2 вызывает радикальное изменение его формы, переключая его из неактивного «закрытого» состояния в активное «открытое» состояние. Это открытие проливает свет на то, как pH тонко контролирует активность SHP2.
Кроме того, программа выявила закономерность pH-чувствительных участков у широкого спектра белков с доменом SH2, включая c-Src. C-Src часто переактивен во многих раковых опухолях, приводя к неконтролируемому росту клеток. Анализ показал, что нормальный c-Src ведёт себя по-разному при разных уровнях pH: он активен при низком pH и неактивен при высоком pH. Однако мутации, связанные с раком, в этих специфических pH-чувствительных участках нарушают это хрупкое регулирование, делая c-Src нечувствительным к изменениям pH и способствуя его перенапряжению в опухолях.
Это открытие открывает новые возможности для целенаправленной терапии рака. Понимая точно, как pH регулирует активность c-Src, исследователи теперь могут разрабатывать препараты, которые имитируют естественные регуляторные механизмы, восстанавливая нормальную чувствительность к pH и избирательно ингибируя мутантную, патогенную форму этого белка.
Этот революционный компьютерный инструмент обещает перевернуть наше понимание функции белков в здоровых и больных состояниях. Помимо рака, целенаправленная терапия pH-чувствительных белков обладает огромным потенциалом для лечения множества заболеваний, при которых дисбаланс pH приводит к нарушению функций – от диабета и аутоиммунных расстройств до травматического повреждения головного мозга. По мере того как исследователи используют эту новую силу, будущее становится более светлым в плане разработки высокоцелевых и эффективных терапий.
