باغبانی مولکولی: کشف آنزیم‌های جدید برای هرس پروتئین‌ها

آنزیم‌های دئوبی‌کویتیناز (DUBs) و نقش آن‌ها در تنظیم پروتئین‌ها

دئوبی‌کویتینازها (DUBs) آنزیم‌هایی هستند که سلول‌ها برای حذف تغییرات پروتئینی ناشی از پروتئین یوبی‌کویتین استفاده می‌کنند و بدین ترتیب به تنظیم پروتئین‌ها می‌پردازند. اختلال در عملکرد DUBها می‌تواند منجر به بروز بیماری‌هایی مانند سرطان و اختلالات عصبی-تحلیل‌برنده شود. اخیراً، پروتئینی به نام USP53 با بیماری کبدی ارثی به نام کلستاز داخل کبدی پیشرفته خانوادگی که در کودکان مشاهده می‌شود، مرتبط شده است؛ اما مکانیزم عملکرد آن هنوز نامشخص باقی مانده است.

کشف عملکرد USP53 و USP54

با وجود اینکه توالی USP53 آن را به خانواده دئوبی‌کویتینازها مرتبط می‌سازد، تلاش‌های قبلی برای شناسایی فعالیت کاتالیزوری آن ناموفق بوده است. اکنون، تیمی به رهبری مالت گرش، سرپرست گروه در مؤسسه ماکس پلانک فیزیولوژی مولکولی، به همراه محققانی از دانشگاه TU دورتموند و مرکز پزشکی دانشگاه اراسموس در روتردام، نحوه عملکرد USP53 و آنزیم مرتبط با آن به نام USP54 را رمزگشایی کرده‌اند. دانشمندان نشان دادند که هر دو آنزیم به طور خاص زنجیره‌های پلی‌یوبي‌کویتین بلند را از پروتئین‌ها حذف می‌کنند. آن‌ها همچنین پروتئین‌هایی را شناسایی کردند که USP53 بر روی آن‌ها عمل می‌کند و می‌تواند با بیماری کبدی مرتبط باشد. این امر نشان می‌دهد چگونه می‌توان درمان‌های هدفمندی برای اینگونه بیماری‌ها شناسایی کرد.

نقش یوبی‌کویتین در تنظیم پروتئین‌ها

سلول‌ها از یک ترفند ساده برای تغییر پروتئین‌ها به منظور عملکردهای خاص مانند تخریب، ترمیم DNA یا پاسخ التهابی استفاده می‌کنند: آن‌ها پروتئین‌ها را با یک یا چند پروتئین کوچک به نام یوبی‌کویتین علامت‌گذاری می‌کنند. به طور متقابل، سلول‌ها می‌توانند این برچسب‌ها را نیز حذف کنند. کای گالانت، یکی از نویسندگان اصلی این تحقیق، می‌گوید: “تحقیقات ما بر روی پروتئین‌هایی که این برچسب‌ها را حذف می‌کنند به نام دئوبی‌کویتینازها متمرکز است.” در انسان‌ها حدود ۱۰۰ DUB وجود دارد که پروتئازهای خاص یوبی‌کویتین (USP) بزرگ‌ترین خانواده را تشکیل می‌دهند. تا کنون، دانشمندان USP53 و USP54 را “غیرفعال” نامیده‌اند، زیرا آن‌ها فعالیت کاتالیزوری کمی نسبت به یوبی‌کویتین نشان داده‌اند.

تحقیقات جدید در مورد ژن USP53 و ارتباط آن با کلستاز در کودکان

گالانت می‌گوید: “با این حال، جهش‌های موجود در ژن USP53 با کلستاز در کودکان مرتبط است که ما را به بررسی این جهش‌ها ترغیب کرد.”

تحلیل مکانیزم

دانشمندان MPI، ژن‌های USP53 و USP54 را بر روی زنجیره‌های مختلف پلی‌یوکیتین آزمایش کردند و فعالیت آن‌ها به‌ویژه در زنجیره‌های طولانی مشخص شد. آن‌ها به‌طور خاص زنجیره‌های پلی‌یوکیتین به نام K63-linked را برش دادند که یکی از هشت نوع زنجیره‌های یوکیتین است. کیم وندریش، که این پروژه را آغاز کرده و نویسنده اول این مقاله است، می‌گوید: “این موضوع شگفت‌انگیز بود، زیرا هیچ آنزیم USP انسانی دیگری چنین تمایلی به یک پیوند خاص نشان نمی‌دهد.” کار او نشان داد که USP53 و USP54 تکنیک‌های متفاوتی برای کوتاه کردن زنجیره‌ها دارند: USP53 زنجیره‌های کامل K63-linked را از پروتئین‌های زیرساختی جدا می‌کند، در حالی که USP54 آن‌ها را کوتاه‌تر می‌کند. هر دو آنزیم دئوبیکوئیتیناز دارای یک دامنه کاتالیتیکی S2 و همچنین سایت‌های S1 معمولی هستند که توانایی آن‌ها را در هدف قرار دادن زنجیره‌های طولانی‌تر افزایش می‌دهد.

یافتن هدف بیماری

در نهایت، محققان به دنبال پروتئین‌های یوکیتینه‌شده‌ای بودند که بتوانند ارتباط بین آنزیم USP53 و وضعیت کلستاز را توضیح دهند. تحقیقات قبلی نشان داده بود که جهش‌های موجود در USP53 یا پروتئین‌های مهم برای اتصالات سلولی، مانند تریسلولین و LSR، می‌توانند علائم مشابه کلستاز را ایجاد کنند. دانشمندان MPI در همکاری با تیمی در روتردام از روش‌های پروتئومیک خاص برای جداسازی پروتئین‌های تریسلولین و LSR یوکیتینه‌شده از سلول‌ها استفاده کردند و تأیید کردند که این پروتئین‌ها توسط USP53 دئوبیکوئیتینه می‌شوند. آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که عدم توانایی در حذف یوکیتین از این پروتئین‌ها به بیماری مرتبط است. مالته گرش می‌گوید: “یافته‌های ما نه تنها دو آنزیم اضافی با روش‌های فعالیت نوآورانه به این گروه از پروتئین‌ها اضافه می‌کند، بلکه پیشنهاد می‌کند که چگونه می‌توان درمان‌های هدفمند را برای بیماری‌هایی که در آن‌ها یوکیتیناسیون نقش حیاتی دارد، شناسایی کرد.”