«Совокупность представляет собой большую субструктуру, которая вызывает некоторую кривизну на мембране — это действительно главное наблюдение», — сказал Алемайеху Горф, доцент кафедры интегративной биологии и фармакологии Медицинской школы UTHealth.Горф руководил исследованием, опубликованным в Journal of Physical Chemistry Letters в апреле 2014 года.
Они создали крупнозернистые модели молекулярной динамики белка Ras с помощью суперкомпьютеров Lonestar и Stampede в Техасском центре передовых вычислений, одном из ведущих академических суперкомпьютерных центров страны. часть Техасского университета в Остине.«Без этих двух машин работа над этой статьей и другими нашими недавними публикациями была бы невозможна. TACC был ключом к этому проекту», — сказал Горф. Киберинфраструктура системных исследований (UTRC) Техасского университета способствовала использованию вычислительных ресурсов его исследовательской группы.
Исследование финансировалось Национальным институтом здоровья (NIH).По данным NIH, более одной трети всех раковых заболеваний человека связаны с соматическими мутациями или мутациями после зачатия в Ras-белках. «Мутации в одном из белков Ras, Kristen или K-Ras, ответственны за 90 или более процентов случаев рака поджелудочной железы», — сказал Горф. «Это говорит вам, что это очень, очень важная мишень для противоопухолевого препарата».Ген Ras, который кодирует белки Ras, был открыт в 1960-х годах и представляет собой первый ген, который может вызывать рак у людей.
Рас получил свое название от вируса саркомы крыс, где он был впервые идентифицирован. Ученые считают, что белки Ras опосредуют цепочку клеточных сигналов, которые могут вызвать неконтролируемое размножение клеток и, в конечном итоге, рак. Сегодня ученые плохо понимают, как и что происходит, когда белки Ras образуют небольшие наноразмерные кластеры на мембране. Исследователи надеются, что лучшее понимание того, как Ras-белки объединяются и взаимодействуют с другими белками в клетках, приблизит их на один шаг к разработке терапевтических мишеней для Ras-управляемых опухолей.
«Именно эти нанокластеры, эти временные субструктуры на клеточной мембране, которые быстро собираются и разбираются, участвуют в передаче сигналов», — сказал Горф.Компьютерное моделирование Горфа показало, что белки Ras сгруппированы вместе или образуют агрегаты на клеточной мембране.
И это заставило его задуматься, что они могут там делать.«Будут ли белки просто сидеть пассивно и вообще не влиять на мембрану? Или они каким-то образом изменяют ее форму?
Это вопрос, который мы задали», — сказал Горф. «Было ясно, что они оказывают сильное влияние на мембрану».Когда обычно плоский бислой клеточной мембраны резко изгибается, ученые называют это ремоделированием мембраны.
Ремоделирование мембраны обычно происходит во время деления клеток, во время движения клеток, когда они скользят, и во время образования пузырьков, когда маленький кусочек отрывается, как то, что вы можете увидеть в лавовой лампе.В меньшем масштабе мембрана изгибается и изгибается около кластеров белков Ras. Горф сказал, что понимание динамики белков Ras имеет решающее значение для его изучения в качестве потенциальной лекарственной мишени для лечения рака.«На мой взгляд, одним из основных вкладов в моделирование молекулярной динамики является информация, которую мы получаем с помощью этого метода о динамике биомолекул в целом», — сказал Горф.
Более того, моделирование полезно для компьютерного проектирования лекарств на основе структуры. «Мы пытаемся использовать эти снимки движущегося белка или ансамбля структур для стыковки небольших молекул в условиях виртуального скрининга», — пояснил Горф. Под стыковкой понимается процесс прикрепления молекулы лекарства к поверхности белка. «Конечно, если бы мы разработали ингибиторы, начиная с такого рода исследований, которые помогли бы лечить рак, это было бы замечательно».
Приянка Шривастава исследует белок Ras с Горфе в своей лаборатории в качестве научного сотрудника Кека в UTHealth. «Наша конечная цель — выявить новые карманы, которые временно открываются во время движения белка, но скрыты в средней экспериментальной структуре Ras, чтобы мы могли их нацелить», — сказал Шривастава.Более 40 лет ученые знали, что Ras является белком, вызывающим рак, но не смогли его остановить.
Рас действует как переключатель, который необходимо включить, чтобы клетки могли воспроизводиться. Проблема в том, что когда гены RAS мутируют, этот переключатель просто не выключается, и это приводит к неконтролируемому росту клеток.
«В 1990-х годах был большой ажиотаж по поводу класса соединений, которые ингибируют один из ферментов, которые накладывают липиды на белки Ras, — сказал Горф, — а липидирование важно для связывания белка с мембраной. мы ингибируем один из ферментов, который фактически помещает липиды в Ras, мы можем сместить его с поверхности мембраны, или мы можем предотвратить его связывание с мембраной и тем самым предотвратить его функцию ».Эти соединения не удалось, потому что Ras хитрый. «Если вы выберете один из ферментов, который он использует, он просто найдет другой, который свяжется с мембраной», — пояснил он.По словам Горфе, по этой и другим причинам Рас считался неподкупным. Интерес к Расу как к противораковому препарату угас.
В последние пять лет надежда на нацеливание на Рас возникла во многом благодаря моделированию и анализу с помощью суперкомпьютеров.«Мы довольно много узнали о важности динамики открытия лекарств в целом и Ras-белков в частности», — сказал Горф. «В картину вошла динамика».
По словам Шриваставы, понимание динамики поможет ученым выявить уязвимые места молекулы Ras.«Используя ресурсы TACC, мы провели моделирование на атомном уровне мембраносвязанного K-Ras. И было очень интересно, что это действительно выявило новые сайты связывания, которые ранее не были охарактеризованы.
На данный момент мы делаем сайт- направленный виртуальный скрининг этих сайтов, в результате которого может быть получен какой-то многообещающий противораковый препарат ».«Обнаружение новых участков связывания с мембраной на Ras может привести к большему пониманию того, как контролируется его включение-выключение и как конкретно ингибировать нерегулируемый рост клеток при раковых заболеваниях, вызванных дефектным Ras», — сказал Жан Чин, программный директор отдела Клеточная биология и биофизика Национального института общих медицинских наук Национального института здравоохранения, который финансировал исследование. «Эти симуляции доктора Горфа также предоставят новые модели и идеи для его коллег и других биологов для экспериментальной проверки».Еще одним достижением стало осознание Горфом ранее в сотрудничестве с Дж. Эндрю Маккаммоном из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Барри Грантом из Мичиганского университета, а также другими учеными, что Ras является так называемым аллостерическим ферментом.«Это означает, что связывание небольших молекул дальше от той части белка, которая фактически участвует во взаимодействии с другими белками или субстратами — это то, что вы хотите предотвратить — влияет на взаимодействие через другие части белка».
По словам Горфе, симуляции — и компьютерное моделирование в целом — стали неотъемлемой частью современных исследований в области биологии.«В некоторых случаях информацию, которую вы не смогли бы получить только с помощью экспериментальных методов, можно получить с помощью моделирования.
Таким образом, моделирование можно комбинировать с экспериментами, чтобы получить подробное представление о том, как Ras-белки работают в клетке. В этом отношении мы Мне повезло, что у меня есть давнее сотрудничество с экспериментальными биологами, и я хотел бы особенно поблагодарить доктора Джона Ф. Хэнкока и сотрудников его лаборатории здесь, в нашей школе. Благодаря уровню достижений в алгоритмах, инфраструктуре и скорости компьютеров мы начали задавать более фундаментальные вопросы и использовать более сложные модельные системы », — добавил он.
И для миллионов людей во всем мире, страдающих от рака, связанного с Ras, эти ответы не могут быть найдены раньше.