Naukowcy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego odkryli molekularny mechanizm hypuzynacji - najbardziej unikalnej modyfikacji potranslacyjnej w ludzkim proteomie.

Zespół badawczy z Małopolskiego Centrum, Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego kierowany przez dr Przemysława Grudnika dokonał przełomowego odkrycia wypełniającego dotychczasową lukę w zrozumieniu mechanizmu unikalnej modyfikacji potranslacyjnej – hypuzynacji. Praca opisująca uzyskane wyniki została właśnie opublikowana w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature Communications.

Naukowcy opisując strukturę atomową kompleksu białek eIF5A i DHS, odpowiedzieli na pytanie w jaki sposób tylko jeden konkretny aminokwas lizyna w białku eIF5A jest potranslacyjnie modyfikowany do hypuzyny. Hypuzynacja jest najbardziej unikalną modyfikacją potranslacyjną i została opisana tylko dla jednego białka. Proces hypuzynacji jest katalizowany przez dwa enzymy: syntazę deoksyhypuzyny (DHS) oraz hydroksylazę deoksyhypuzyny (DOHH). Zmodyfikowane białko eIF5A jest niezbędne dla prawidłowego przebiegu wielu istotnych procesów komórkowych, takich jak wzrost komórki i jej podział.

Hypuzynacja po raz pierwszy została opisana w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku i od tego czasu budzi duże zainteresowanie naukowców. Pomimo faktu, że coraz więcej badań naukowych łączy zmiany w poziomie hypuzynacji z różnymi stanami chorobowymi, do tej pory molekularny mechanizm tej modyfikacji pozostawał niewyjaśniony.

"Hypuzynacja to mało znany, ale bardzo ważny proces dla każdej żywej komórki. Podczas studiów nigdy o niej nie słyszałam i dopiero mój promotor dr Przemysław Grudnik wprowadził ten termin do mojego słownika. Bardzo się cieszę, że nasze badania umożliwiły zaproponowanie molekularnego mechanizmu hypuzynacji. Rozwiązanie struktury kompleksu eIF5A-DHS w wysokiej rozdzielczości, umożliwiło nam zrozumienie jak DHS rozpoznaje i modyfikuje eIF5A” – mówi Elżbieta Wątor, doktorantka w Małopolskim Centrum Biotechnologii i główna autorka artykułu.

Fig.1 Struktura kompleksu eIF5A-DHS

Aby osiągnąć swój cel i uzyskać dokładny i szczegółowy model reakcji, naukowcy z MCB musieli zastosować kombinację wielu technik biologii strukturalnej, takich jak bio-krystalografia rentgenowska, kriomikroskopia elektronowa (cryo-EM) oraz spektrometria mas sprzężona z wymianą wodorowo-deuterową. Dodatkowo przeprowadzone analizy biochemiczne i biofizyczne uzupełniły i zweryfikowały obserwacje uzyskane na podstawie badań strukturalnych, i pozwoliły na zaproponowanie mechanizmów powodujących utratę aktywności białka DHS związaną z tzw. syndromem niedoboru DHS – rzadką chorobą o podłożu genetycznym.

„Zastosowanie krystalografii rentgenowskiej pozwoliło nam na wizualizację i analizę drobnych rearanżacji strukturalnych zachodzących podczas reakcji katalizowanej przez DHS. Jednak wykorzystując tę technikę nie byliśmy w stanie uchwycić interakcji pomiędzy eIF5A a DHS. Na szczęście uzupełnienie pełnego obrazu reakcji było możliwe z wykorzystaniem innej techniki – kriomikroskopii elektronowej. Przy pomocy cryoEM rozwiązaliśmy wysokorozdzielczą strukturę białka DHS ze związanym substratem – białkiem eIF5A. Nasz projekt jest doskonałym przykładem potencjału biologii strukturalnej w wyjaśnianiu istotnych pytań biologicznych” – mówi dr Piotr Wilk, drugi autor artykułu.

Fot.1. Główni autorzy opisywanego artykułu. Od lewej: dr Przemysław Grudnik (autor korespondencyjny), Elżbieta Wątor (pierwsza autorka) and dr Piotr Wilk (drugi autor).

Próbki do badań strukturalnych zostały przygotowane w Structural Biology Core Facility w MCB UJ. Dane cryo-EM zarejestrowano przy użyciu wysokiej klasy kriomikroskopu elektronowego Titan Krios G3i w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Dane dyfrakcyjne natomiast zebrano na synchrotronie BESSY II w Berlinie. 

„Zrozumienie interakcji eIF5A-DHS może mieć istotny wpływ na rozwój nowych metod leczenia chorób związanych z nieprawidłową translacją białek, takich jak nowotwory i zaburzenia neurodegeneracyjne. Teraz naszym celem jest wykorzystanie zdobytej wiedzy o mechanizmie reakcji do opracowania nowych związków chemicznych.” – dodaje dr Przemysław Grudnik, autor korespondencyjny.

Badania nad hypuzynacją w MCB są finansowane w ramach projektów NCN OPUS-17 („Molecular basis of hypusination” UMO-2019/33/B/NZ1/01839) oraz NCN PRELUDIUM-18 („The protein with two faces – characterization of a dual-activity deoxyhypusine synthase from Trichomonas vaginalis” 2019/35/N/NZ1/02805).  

Artykuł dostępny online:

E. Wątor, P. Wilk, A. Biela, M. Rawski, K. M. Zak, W. Steinchen, G. Bange, S. Glatt, and P. Grudnik, Cryo-EM Structure of Human EIF5A-DHS Complex Reveals the Molecular Basis of Hypusination-Associated Neurodegenerative Disorders, Nat Commun 14, 1698 (2023).