Мікроскопічні зміни кислотності в наших клітинах можуть мати різкий вплив на їх поведінку. Цей ефект виникає через концентрацію протонів, або pH, міру того, наскільки кислим чи лужним є розчин. Білки, які є основними робочими конячками наших клітин, особливо чутливі до цих коливань. Зміна реакції білків на pH може сприяти розвитку таких захворювань, як рак, і нейродегенеративних розладів, таких як хвороба Альцгеймера і Хантінгтона.
Протягом багатьох років дослідники намагалися точно визначити як білки реагують на зміну рівня pH. Традиційно ідентифікація рН-чутливих білків була трудомістким процесом, який вимагав ретельного тестування кожного білка окремо в межах сигнального шляху, щоб побачити, чи реагує він на зміни рН. Цей кропіткий підхід дав обмежені результати. Хоча відомо, що рН відіграє важливу роль у важливих клітинних процесах, таких як рух і поділ клітин, лише близько 70 цитоплазматичних білків із величезної кількості були підтверджені як чутливі до рН.
Тепер дослідники з Університету Нотр-Дам розробили революційний комп’ютерний інструмент, який значно прискорює цей процес. Ця програма може аналізувати сотні білків всього за кілька днів, ефективно передбачаючи, які з них чутливі до змін рН і потенційно сприяють прогресуванню захворювання.
Розгадка молекулярного коду чутливості до pH
Новий метод базується на існуючих структурних даних білка, що зберігаються в глобальному сховищі під назвою RCSB Protein Data Bank. Потім програма використовує експериментальні дані, відомі як значення pKa, які вказують рН, при якому конкретні амінокислоти (майбутні білкові елементи) отримують або втрачають протони. Ця інформація дозволяє програмі моделювати зміни електричних зарядів у білках залежно від рівня pH і передбачати, як ці зміни заряду можуть змінити структуру білка.
Дослідники зосередилися на амінокислотах, які легко змінюють заряд у вузькому діапазоні pH у здорових клітинах (близько 7,2–7,6). Навіть невеликі зміни зарядів цих важливих амінокислот можуть спричинити каскадний ефект, який поширюється по структурі білка та впливає на його функцію. Це явище називається алостерією, непрямим регуляторним механізмом, який впливає на активність білка далеко від місця зміни рН.
Цілеспрямована терапія раку за допомогою комп’ютерного відкриття
Програма успішно передбачила чутливість до рН ключового білка під назвою SHP2, який бере участь у передачі сигналів, імунній відповіді та розвитку. Експерименти підтвердили, що приєднання протонів до двох специфічних залишків у SHP2 викликає радикальну зміну його форми, переводячи його з неактивного «закритого» стану в активний «відкритий» стан. Це відкриття проливає світло на те, як pH тонко контролює активність SHP2.
Крім того, програма ідентифікувала структуру pH-чутливих областей у широкому спектрі білків домену SH2, включаючи c-Src. C-Src часто є надмірно активним у багатьох видах раку, що призводить до неконтрольованого росту клітин. Аналіз показав, що нормальний c-Src поводиться по-різному при різних рівнях pH: він активний при низькому pH і неактивний при високому pH. Однак асоційовані з раком мутації в цих специфічних рН-чутливих областях порушують цю делікатну регуляцію, роблячи c-Src нечутливим до змін рН і сприяючи його надмірному навантаженню в пухлинах.
Це відкриття відкриває нові можливості для цільової терапії раку. Розуміючи, як саме рН регулює активність c-Src, дослідники тепер можуть розробити ліки, які імітують природні регуляторні механізми, відновлюючи нормальну чутливість до рН і вибірково пригнічуючи мутантну, патогенну форму білка.
Цей революційний комп’ютерний інструмент обіцяє революціонізувати наше розуміння функції білків у здоров’ї та хворобах. Окрім раку, цільова терапія для pH-чутливих білків має величезний потенціал для лікування різноманітних захворювань, у яких дисбаланс pH призводить до дисфункції, — від діабету та аутоімунних розладів до черепно-мозкових травм. Оскільки дослідники використовують цю нову силу, майбутнє стає яскравішим для розробки високоцільових та ефективних методів лікування.
