- To badanie po raz pierwszy daje nam pełny wgląd w to, jak małe cząsteczki mogą oddziaływać z powierzchnią białka DHS. Zamiast skupiać się tylko na centrum aktywnym, widzimy teraz liczne punkty regulacyjne, które można wykorzystać do precyzyjnego dostrajania poziomu hypuzynacji w zależności od podłoża choroby - mówi dr hab. Przemysław Grudnik, prof. UJ.

Hypuzynacja to unikalny proces komórkowy - niezwykle specyficzna modyfikacja potranslacyjna aminokwasu lizyny, która występuje tylko w jednym białku w ludzkim organizmie: eIF5A. Jest ona niezbędna, by rybosomy (fabryki białek w komórce) mogły wydajnie syntetyzować białka o trudnych sekwencjach, np. wiele reszt prolinowych pod rząd. Enzym DHS pełni funkcję strażnika tego procesu, katalizując jego pierwszy i najważniejszy etap. Ponieważ aktywność DHS jest często podwyższona w komórkach nowotworowych, modulowanie tego enzymu jest od lat postrzegane jako obiecująca strategia terapeutyczna. Z drugiej strony, niedobór DHS opisano niedawno jako niezwykle rzadkie zaburzenie neurorozwojowe. Dlatego też zarówno blokowanie, jak i aktywacja tego enzymu stanowią atrakcyjne ścieżki leczenia.

Aby odkryć nowe miejsca oddziaływania na DHS, zespół zastosował metodę krystalograficznego fragment screeningu. Technika ta polega na nasączaniu kryształów białka setkami maleńkich cząsteczek organicznych (fragmentów), by zidentyfikować miejsca ich wiązania w strukturze białka. Praca ta powstała dzięki współpracy z dr. Tobiasem Krojerem z Laboratorium MAX IV, którego wiedza była kluczowa podczas badań na linii BioMAX w szwedzkim Lund. Zaawansowana automatyzacja pozwoliła naukowcom uchwycić dokładny model przestrzenny oddziaływań zachodzących podczas wiązania fragmentów, nawet gdy były one wyjątkowo słabe.

Krystalografia pozwoliła nam nie tylko potwierdzić fakt wiązania się cząsteczek, ale przede wszystkim określić ich dokładną orientację wewnątrz enzymu. Dzięki wysokiej rozdzielczości danych dyfrakcyjnych mogliśmy zaobserwować subtelne zmiany strukturalne w DHS, które decydują o tym, jak małe cząsteczki wpływają na jego aktywność - wyjaśnia dr Elżbieta Wątor-Wilk, współautorka badania.

Kampania screeningowa zakończyła się sukcesem, osiągając 39-procentową trafność. Zidentyfikowano 67 unikalnych fragmentów w 136 miejscach wiązania, które pogrupowano w pięć klastrów. Jednym z najciekawszych odkryć jest związek VT00065, który kowalencyjnie modyfikuje enzym, skutecznie blokując go w stanie nieaktywnym poprzez naśladowanie naturalnego cyklu katalitycznego. Badacze zaobserwowali również nieoczekiwaną elastyczność strukturalną enzymu. Niektóre fragmenty stabilizowały jego elementy regulacyjne w konfiguracjach, które dotąd nie były znane.

- Nasze odkrycia tworzą fundament pod wykorzystanie screeningu fragmentów do odkrywania ukrytych 'przełączników' regulacyjnych w DHS - mówi dr hab. Piotr Wilk, pierwszy autor publikacji i kierownik Structural Biology Core Facility w MCB UJ.

Praca "Crystallographic fragment screening supports tool compound discovery and reveals conformational flexibility in human deoxyhypusine synthase", która ukazała się w czasopiśmie "Communications Chemistry", stanowi najnowszy wkład zespołu profesora Grudnika w zrozumienie procesów hypuzynacji na poziomie molekularnym. Publikacja bazuje na ich wcześniejszych osiągnięciach, do których należy m.in. rozwiązanie struktury kompleksu DHS-eIF5A przy użyciu kriomikroskopii elektronowej (cryo-EM) oraz odkrycie nieenzymatycznej, regulacyjnej roli kinaz ERK1/2 w szlaku hypuzynacji. W uznaniu za trwały wpływ na naukę i technologię, w szczególności za wkład w zrozumienie procesu hypuzynacji, zespół prof. Przemysława Grudnika został uhonorowany Nagrodą Miasta Krakowa 2024.

Hypuzynacja jest wyjątkowo rzadką modyfikacją, ale jej wpływ na fizjologię komórki jest ogromny. Łącząc badania przesiewowe fragmentów z biologią strukturalną o wysokiej rozdzielczości, budujemy zestaw narzędzi, który może służyć zarówno badaniom podstawowym, jak i w dłuższej perspektywie opracowaniu bardziej selektywnych strategii terapeutycznych. Nowo opracowana mapa strukturalna DHS stanowi kolejny kluczowy element układanki dotyczącej tej ultrarzadkiej, a jednocześnie niezbędnej, modyfikacji biologicznej - dodaje prof. Przemysław Grudnik.

Przygotowanie białek oraz wstępne próby krystalizacji przeprowadzono w Structural Biology Core Facility w MCB UJ, natomiast pomiary i analiza danych dyfrakcyjnych odbyły się w ścisłej współpracy z grupą FragMAX w Laboratorium MAX IV w Szwecji. Projekt został wsparty przez Narodowe Centrum Nauki oraz Fundację na rzecz Nauki Polskiej.