Белки являются необходимыми молекулами для {живых} организмов, и их функция в значимой степени зависит от того, как цепочка аминокислот, из которых они состоят, “складывается” в пространстве опосля синтеза клеточкой. Складывание белков – одна из самых сложных заморочек в биологии, которая является предметом бессчетных исследовательских работ в протяжении наиболее пятидесяти лет. Не так давно исследователи соединили ИИ с экспериментальными и вычислительными способами, чтоб более тщательно раскрыть архитектуру комплекса ядерной поры человека. Это самый большенный белковый комплекс в клеточке, насчитывающий около 1000 белков, которые пробивают ядерную оболочку и переносят аннотации ДНК в другие части клеточки. Эта работа иллюстрирует, как моделирование на базе ИИ быть может интегрировано со структурной биологией in situ для осознания принципов построения и дизайна огромных молекулярных ансамблей. Она описывает революционную перспективу в мед исследовательских работах.
Ядерные поровые комплексы человека (ЯПК) – реальный молекулярный гигант. Эти каналы нужны для жизни. Интегрированные в двухмембранный барьер, либо ядерную оболочку, которая отделяет ядро и его ДНК от остальной части клеточки, они агрессивно контролируют, какие макромолекулы попадают в ядро либо покидают его. Эта деятельность содержит в себе обеспечение доступа актуально принципиальных белков в ядро, блокирование вирусов и перемещение мессенджерных РНК из ядра в цитоплазму, где они переводятся в белки. Ядерная транспортная система также играет роль в ряде болезней, включая нейродегенеративные расстройства, рак и вирусные инфекции.
Для структурных биологов ядерные поровые комплексы человека представляет собой захватывающую трехмерную головоломку, включающую около 30 разных белков, любой из которых находится в нескольких копиях. Это эквивалентно приблизительно 1000 кускам головоломки, которые образуют круглое ядро, окруженное гибкими частями. До сего времени самые четкие модели обхватывали лишь 46% структуры.
Не так давно группа Косински в EMBL Гамбург и Центр структурной системной биологии (CSSB), лаборатории Бека и Хаммера в Институте биофизики Макса Планка сделали более полную на нынешний денек модель, объединив программку пророчества структуры белка AlphaFold2 (сделанную DeepMind компании Гугл) с таковыми способами, как криоэлектронная томография, одночастичная крио-ЭМ и интегративное моделирование. Их модель обхватывает наиболее 90% структуры. Оно было размещено в журнальчике Science.
Опыты и искусственный ум – выигрышная композиция
Для заслуги этого результата, считающегося триумфом экспериментальной структурной биологии, ученые, за плечами которых два десятилетия исследовательских работ в данной области, соединили несколько экспериментальных и вычислительных способов. Это позволило им визуализировать ЯПК в различных масштабах и с разной степенью детализации.
Во-1-х, для моделирования общего силуэта белкового комплекса исследователи употребляли электрическую криотомографию. При помощи данной техники они смогли следить его в клеточной среде, а не изолированно. Потом AlphaFold2, программка на базе искусственного ума, предсказывающая структуру белков, раскрыла больше деталей о строй блоках отдельных белков.
Агнешка Обарска-Косиньска, постдок, проводившая молекулярное моделирование, гласит в собственном заявлении: “AlphaFold2 стал для нас прорывным моментом. Ранее мы не знали структуру почти всех белков, входящих в состав комплекса. Вы не можете собрать пазл, если не понимаете, как смотрятся его части. Но AlphaFold2 в купе с иными подходами дозволил нам предсказать эти формы”.
На втором шаге команда употребляла ColabFold, измененную научным обществом версию AlphaFold2 для моделирования белковых взаимодействий. Этот ИИ дозволил им визуализировать, как разные части головоломки соединяются воединыжды в наиболее маленькие субкомплексы, и как эти субкомплексы потом собираются в комплекс ядерной поры.
Сопоставление моделей комплекса ядерной поры человека, приобретенных до (слева) и опосля использования AlphaFold2 в купе с крио-ЭТ (справа).
В конце концов, исследователи собрали все части совместно, используя программное обеспечение Assembline, ранее разработанное группой Косински, и проверили его на соответствие экспериментальным данным.
Ян Косински, глава группы EMBL, который был одним из управляющих исследования, разъясняет: “Это как разобрать электрическое устройство и собрать его назад. Постоянно будет оставаться несколько винтов, и вы просто не будете знать, где они должны быть. В конце концов-то нам удалось установить большая часть из их, и сейчас мы буквально знаем, где они находятся, что они делают и как”.
Приобретенная модель так полная и подробная, что дозволила исследователям сделать молекулярное моделирование с временным разрешением того, как белки в комплексе и ядерная мембрана ведут взаимодействие для сотворения размеренной поры. Они также смогли осознать, как он реагирует на механические сигналы.
Вид в поперечном сечении на сложную каркасную архитектуру ядерной поры человека в суженном состоянии. Модели высочайшего разрешения имеют цветовую маркировку в согласовании с принадлежностью к подкомплексу. Ядерная оболочка представлена сероватой поверхностью.
Важное открытие для мед исследовательских работ
Эта работа представляет собой принципиальный шаг вперед в осознании архитектуры ядерной поры. Как уже упоминалось выше, кроме координации действий переноса, эти белковые комплексы организуют важные ядерные и цитоплазматические процессы, такие как транскрипция и созревание мРНК. Эти различные роли делают их “жаркой точкой”, как отмечает редактор Science в статье, связанной с исследованием, для мутаций, связанных с болезнями, и взаимодействий хозяин-патоген. Потому они нужны для генной терапии, мРНК-вакцин, CRISPR и остальных видов генной терапии.
Группа Косински сосредоточит свою последующую работу на разработке автоматических способов интеграции структурных и микроскопичных данных с внедрением AlphaFold2 и собственного программного обеспечения Assembline. Они планируют применить эти подходы к исследованию молекулярных действий, лежащих в базе вирусных зараз.
Герхард Хаммер и Мартин Бек из Института биофизики Макса Планка произнесли: “Эта работа иллюстрирует, как в дальнейшем структурная биология будет применять клеточную биологию для сотворения атомных моделей все наиболее больших совокупностей молекул, выполняющих разные функции в различных частях клеточки”.
Это исследование – одна из 5 сразу размещенных в журнальчике Science работ, раскрывающих практически атомную картину большущего комплекса ядерной поры человека. Эти результаты дозволят будущим исследованиям поглубже изучить бессчетные функции белковых комплексов.
Источник
Читайте далее:
