數(shù)學(xué)模型揭示細(xì)胞酶的行為
從一分為二到遷移到身體的不同部位,細(xì)胞所做的一切都受到酶的控制,這些酶對(duì)細(xì)胞中的其他蛋白質(zhì)進(jìn)行化學(xué)修飾。普林斯頓大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種新的數(shù)學(xué)技術(shù)來(lái)描述許多細(xì)胞酶的行為。該方法將于2月13日發(fā)表在《當(dāng)前生物學(xué)》雜志上,它將幫助研究人員確定基因突變?nèi)绾胃淖冞@些酶的行為,從而導(dǎo)致一系列人類疾病,包括癌癥。
稱為激酶的酶可以將磷酸鹽分子添加到其他蛋白質(zhì)(包括其他激酶)的多個(gè)位置,從而改變其在細(xì)胞內(nèi)的活性。研究這些“多位點(diǎn)磷酸化反應(yīng)”非常復(fù)雜,因?yàn)榱姿峄鶊F(tuán)可以快速且以不同順序添加,這可能會(huì)影響修飾蛋白在細(xì)胞內(nèi)的行為。這使得很難確切了解激酶突變時(shí)出了什么問(wèn)題。
由分子生物學(xué)助理教授MartinWühr和普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程教授,以及熨斗研究所的研究員Stanislav Shvartsman領(lǐng)導(dǎo)的普林斯頓研究人員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型,該數(shù)學(xué)模型說(shuō)明了稱為MEK的激酶如何將兩個(gè)磷酸化分子稱為ERK的激酶。這種雙重磷酸化激活了ERK,因此它可以驅(qū)動(dòng)許多細(xì)胞過(guò)程,包括細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂。MEK和ERK的突變可引起多種疾病,包括癌癥。
伍爾說(shuō):“ MEK中有許多突變會(huì)影響雙重磷酸化ERK的總體水平。” “但是這些突變對(duì)ERK激活機(jī)制的影響仍然未知。”
研究人員的模型揭示了每個(gè)磷酸酯基團(tuán)添加的速度有多快,以及同一種酶同時(shí)添加兩種磷酸酯的頻率。在大多數(shù)情況下,單個(gè)MEK酶與ERK結(jié)合并在其脫離之前添加一個(gè)磷酸分子,并允許第二個(gè)MEK酶結(jié)合并添加第二個(gè)磷酸鹽。
然后,研究人員使用他們的模型來(lái)分析在人類癌癥中發(fā)現(xiàn)的MEK突變體。該突變體MEK在向ERK中添加第一個(gè)磷酸根的速度快兩倍,并且更有可能保持連接并添加第二個(gè)磷酸基團(tuán)本身??傊?,這增強(qiáng)了ERK的激活并加速了癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。
然后,研究人員分析了另外兩個(gè)導(dǎo)致各種發(fā)育異常的MEK突變,包括先天性心臟缺陷和發(fā)育遲緩。這些突變并不影響MEK向ERK添加磷酸分子的能力。相反,它們通過(guò)另一個(gè)稱為Raf的激酶增強(qiáng)了MEK的活化,該激酶將兩個(gè)磷酸分子添加到MEK上。
Shvartsman說(shuō):“因此,我們的分析揭示了這種多位磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)中的多個(gè)步驟中的哪些受每個(gè)突變的影響。” “我們希望我們的數(shù)學(xué)模型將使人們對(duì)細(xì)胞調(diào)節(jié)系統(tǒng)有更深入,更定量的了解,包括它們對(duì)組成蛋白突變的反應(yīng)。”
確切揭示突變?nèi)绾胃淖兠傅墓δ芸梢詭椭芯咳藛T開發(fā)新的治療策略,以使其功能恢復(fù)正常。
伍爾說(shuō):“我們的方法不僅限于激酶,還適用于多種生化機(jī)制,其中一種酶修飾了其底物上的多個(gè)位點(diǎn)。”
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