Ещё один интересный пример того, как фундаментальные исследования структуры белка решают проблему, которую не могли решить двадцать лет.

Группа исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе опубликовала в журнале Nature Chemical Biology работу, в которой они описали структуру теломеразы человека в комплексе с ингибитором BIBR1532.

Уже два десятилетия учёные пытались улучшить ингибитор BIBR1532, руководствуясь ошибочной моделью фермента. Дело в том, что на основе единственной в базах данных структуры предполагалось, что BIBR1532 связывается в СТЕ-домене. Все попытки сконструировать на основе этой модели более эффективные молекулы проваливались.

Авторы решили проблему радикально: они просто взяли криоэлектронную микроскопию сверхвысокого разрешения и внимательно исследовали структуру комплекса. Метод внимательного вглядывания творит чудеса!

Результат оказался неожиданным. Было показано, что ингибитор связывается в совершенно новом, ранее неизвестном кармане между двумя доменами обратной транскриптазы далеко от активного центра фермента. BIBR1532 не блокирует активный центр напрямую. Он работает как аллостерический ингибитор: связывается в другом месте и нарушает динамику белка, а не его статическую структуру.

Авторы показали, что из-за специфической жёсткости определённых участков теломеразы, фермент работает медленно и с ошибками — он не может совершать те конформационные переходы, которые характерны для других ДНК-полимераз. BIBR1532, связываясь с ферментом, не мешает связываться субстрату, но нарушает скоординированные движения фрагментов фермента, позволяющие тому связываться с ДНК и выполнять свои функции. Именно это объясняет, почему предыдущие двадцать лет разработки были неудачными — учёные искали не там.

Это идеальный пример того, что «скучная» физико-химия белка остаётся краеугольным камнем биотехнологий. Никакой ИИ не предсказал бы этот карман и этот механизм, без экспериментальных структур. AlphaFold и другие нейросети обучаются на том, что уже есть в Банке белковых структур (PDB), а нового кармана там не было. Именно эксперимент дал ответ.

Работа также показывает ограничения подходов, основанных только на гомологии. Двадцать лет исследователи пытались улучшить BIBR1532, исходя из существовавшего на тот момент представления о структуре теломеразы, и двадцать лет терпели неудачу. Т.ч. поиск гомологов — это полезный, но ненадёжный инструмент.

Интересно, что BIBR1532 — аллостерический ингибитор. Он не блокирует активный центр, а нарушает динамику белка. Это та область, где ИИ пока бессилен. Помните работу Чапута, где 39 мутаций, расположенных далеко от активного центра, изменили динамику фермента и ускорили его работу в пять раз? Здесь та же история, но наоборот: малая молекула, севшая в карман вдали от активного центра, нарушает динамику и замедляет работу. AlphaFold показывает только конформацию, но в реальности белок — это динамическая структура.

Теперь у учёных понимание механизма ингибирования теломер, который может быть использован для разработки нового поколения лекарственных препаратов.