Strukturna biologija zagotavlja vpogled v mehanizme bioloških procesov z določanjem makromolekularnih struktur, ki povezujejo informacije o biološkem zaporedju s položajem v 3-dimenzionalnem prostoru. To nam omogoča združevanje strukturnih informacij s podatki, pridobljenimi z biokemičnimi, molekularnimi, računalniškimi pristopi in z metodami celične biologije ter njihovo integracijo v vedno bolj celovite raziskovalne sheme.
Vloga endosomalnega/lizosomalnega sistema je razgradnja proteinov (Turk in sod., 2012). Cisteinski katepsini imajo poleg nespecifične proteolize v kislem okolju endosomov/lizosomov tudi specifične vloge, kot so cepitev kolagena s katepsinom K med remodeliranjem kosti, procesiranje tiroglobulina pri proizvodnji ščitničnih hormonov, sodelujejo pri napredovanju tumorjev in aktivaciji virusov, kot sta SARS-CoV-2 in ebola. Cisteinski katepsini so glede na njihove specifične fiziološke in patološke vloge pomembne tarče za razvoj zdravil.
Naša nedavno objavljena študija in statistična analiza približno 30.000 substratov katepsinov K, V, B, L, S in F je razkrila veliko število proteinov v celičnem lizatu, od katerih jih je bilo 941 cepljenih le enkrat (Tušar in sod., 2023). Med substrati so bili na primer transkripcijski faktorji s cepitvami na mestih, ki vežejo DNA (Li in sod., 2016) ali kinaze na mestih, kjer vršijo fosforilacijo (Lolli in sod., 2012). Analiza je bila izvedena z uporabo programske platforme SAPS-ESI (“Statistični pristop k specifični interakciji peptidni substrat – encim”) razvite v našem laboratoriju.
Cilj tega raziskovalnega projekta je razkriti nove fiziološke vloge cisteinskih katepsinov na podlagi ugotavljanja lastnosti skupnih substratov cisteinskih katepsinov in drugih encimov z uporabo novih pristopov v statistiki in bioinformatiki (nadgradnja SAPS – ESI) ter v eksperimentalnih metodah. Za potrditev fiziološke vloge kombinacij encimov ter njihovih skupnih substratov, bodo nekateri izbrani proteinski substrati izraženi, njihova razgradnja in možna tvorba kompleksov pa analizirana z biokemijsko, strukturno in molekularno biologijo ter proteomskimi pristopi in vitro in tudi v celicah. Raziskava vključuje tudi določanje struktur kompleksov peptidnih fragmentov z encimi in njihovo strukturno analizo.
Reference
- Turk et al., Cysteine cathepsins: from structure, function and regulation to new frontiers. Biochimica et biophysica acta 1824, 68-88 (2012).
- Tušar L., Loboda J., Turk D. et al., Proteomic data and structure analysis combined reveal interplay of structural rigidity and flexibility on selectivity of cysteine cathepsins. Communications biology 6, 450 (2023).
- Li et al., Structural basis for DNA recognition by STAT6. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 113, 13015-13020 (2016).
- Lolli, L. A. Pinna, R. Battistutta, Structural determinants of protein kinase CK2 regulation by autoinhibitory polymerization. ACS chemical biology 7, 1158-1163 (2012).