ИИ раскрывает сложные белки, которые защищают нашу ДНК
Белки являются необходимыми молекулами для живых организмов, и их функция в значительной степени зависит от того, как цепочка аминокислот, из которых они состоят, "складывается" в пространстве после синтеза клеткой. Складывание белков - одна из самых сложных проблем в биологии, которая является предметом многочисленных исследований на протяжении более пятидесяти лет. Недавно исследователи объединили ИИ с экспериментальными и вычислительными методами, чтобы наиболее подробно раскрыть архитектуру комплекса ядерной поры человека. Это самый большой белковый комплекс в клетке, насчитывающий около 1000 белков, которые пробивают ядерную оболочку и переносят инструкции ДНК в остальные части клетки. Эта работа иллюстрирует, как моделирование на основе ИИ может быть интегрировано со структурной биологией in situ для понимания принципов построения и дизайна больших молекулярных ансамблей. Она определяет революционную перспективу в медицинских исследованиях.
Ядерные поровые комплексы человека (ЯПК) - настоящий молекулярный гигант. Эти каналы необходимы для жизни. Встроенные в двухмембранный барьер, или ядерную оболочку, которая отделяет ядро и его ДНК от остальной части клетки, они жестко контролируют, какие макромолекулы попадают в ядро или покидают его. Эта деятельность включает в себя обеспечение доступа жизненно важных 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 заболеваний, включая нейродегенеративные расстройства, рак и вирусные инфекции.
Для структурных биологов ядерные поровые комплексы человека представляет собой захватывающую трехмерную головоломку, включающую около 30 различных белков, каждый из которых присутствует в нескольких копиях. Это эквивалентно примерно 1000 кусочкам головоломки, которые образуют круглое ядро, окруженное гибкими частями. До сих пор самые точные модели охватывали только 46% структуры.
Недавно группа Косински в EMBL Гамбург и Центр структурной системной биологии (CSSB), лаборатории Бека и Хаммера в Институте биофизики Макса Планка создали наиболее полную на сегодняшний день модель, объединив программу предсказания структуры белка AlphaFold2 (созданную DeepMind компании Google) с такими методами, как криоэлектронная томография, одночастичная крио-ЭМ и интегративное моделирование. Их модель охватывает более 90% структуры. Оно было опубликовано в журнале .
Эксперименты и искусственный интеллект - выигрышная комбинация
Для достижения этого результата, считающегося триумфом экспериментальной структурной биологии, ученые, за плечами которых два десятилетия исследований в этой области, объединили несколько экспериментальных и вычислительных методов. Это позволило им визуализировать ЯПК в разных масштабах и с разной степенью детализации.
Во-первых, для моделирования общего силуэта белкового комплекса исследователи использовали электронную криотомографию. С помощью этой техники они смогли наблюдать его в клеточной среде, а не изолированно. Затем AlphaFold2, программа на основе искусственного интеллекта, предсказывающая структуру белков, раскрыла больше деталей о строительных блоках отдельных белков.
Агнешка Обарска-Косиньска, постдок, проводившая молекулярное моделирование, говорит в своем заявлении: "AlphaFold2 стал для нас прорывным моментом. До этого мы не знали структуру многих белков, входящих в состав комплекса. Вы не сможете собрать пазл, если не знаете, как выглядят его части. Но AlphaFold2 в сочетании с другими подходами позволил нам предсказать эти формы".
На втором этапе команда использовала ColabFold, модифицированную научным сообществом версию AlphaFold2 для моделирования белковых взаимодействий. Этот ИИ позволил им визуализировать, как различные части головоломки объединяются в более мелкие субкомплексы, и как эти субкомплексы затем собираются в комплекс ядерной поры.
Наконец, исследователи собрали все части вместе, используя программное обеспечение Assembline, ранее разработанное группой Косински, и проверили его на соответствие экспериментальным данным.
Ян Косински, глава группы EMBL, который был одним из руководителей исследования, объясняет: "Это как разобрать электронное устройство и собрать его обратно. Всегда будет оставаться несколько винтов, и вы просто не будете знать, где они должны быть. Наконец-то нам удалось установить большинство из них, и теперь мы точно знаем, где они находятся, что они делают и как".
Полученная модель настолько полная и подробная, что позволила исследователям создать молекулярное моделирование с временным разрешением того, как белки в комплексе и ядерная мембрана взаимодействуют для создания стабильной поры. Они также смогли понять, как он реагирует на механические сигналы.
Важнейшее открытие для медицинских исследований
Эта работа представляет собой важный шаг вперед в понимании архитектуры ядерной поры. Как уже упоминалось выше, помимо координации процессов переноса, эти белковые комплексы организуют важнейшие ядерные и цитоплазматические процессы, такие как транскрипция и созревание мРНК. Эти разнообразные роли делают их "горячей точкой", как отмечает редактор в статье, связанной с исследованием, для мутаций, связанных с заболеваниями, и взаимодействий хозяин-патоген. Поэтому они необходимы для генной терапии, мРНК-вакцин, CRISPR и других видов генной терапии.
Группа Косински сосредоточит свою дальнейшую работу на разработке автоматических методов интеграции структурных и микроскопических данных с использованием AlphaFold2 и собственного программного обеспечения Assembline. Они планируют применить эти подходы к изучению молекулярных процессов, лежащих в основе вирусных инфекций.
Герхард Хаммер и Мартин Бек из Института биофизики Макса Планка сказали: "Эта работа иллюстрирует, как в будущем структурная биология будет использовать клеточную биологию для создания атомных моделей все более крупных совокупностей молекул, выполняющих различные функции в разных частях клетки".
Это исследование - одна из пяти одновременно опубликованных в журнале Science работ, раскрывающих почти атомную картину огромного комплекса ядерной поры человека. Эти результаты позволят будущим исследованиям глубже изучить многочисленные функции белковых комплексов.