Структура и функционирование белков. Применение методов биоинформатики - Джон Ригден 2014

Предсказание функции белков на основе их теоретических моделей
Практическое применение
Картирование мутаций

Редкие мутации, встречающиеся в ключевых белках, лежат в основе многих наследственных заболеваний. Другие различия в последовательности белков, например, аллельные варианты белков-мишеней лекарственных препаратов, могут привести к различному связыванию этих препаратов и, следовательно, различной реакции пациентов. Таким образом, структурное картирование мутаций, которое является ключевым применением молекулярных моделей, оказывается полезным для понимания молекулярных механизмов заболеваний и предсказанию реакции пациентов, составляя шаг на пути к персонифицированной медицине.

АТФ-чувствительные калиевые каналы играют ключевую роль во многих тканях, связывая клеточный метаболизм и электрическую активность. Эти каналы представляют собой октамерные комплексы двух различных белков Кіr6.2 и SUR. Связывание АТФ или АДФ с каналами приводит к их ингибированию. Обнаружение ряда мутаций в Kir6.2, приводящих к понижению чувствительности канала к АТФ, дало понимание причины сахарного диабета новорожденных (Hattersley and Ashcroft 2005). Ингибированные каналы вызывают гиперполяризацию мембран в панкреатических ß-клетках, что, в свою очередь, приводит к уменьшению секреции инсулина и, следовательно, к диабету. Осознание генетической этиологии заболевания произвело революцию в терапии пациентов с диабетом новорожденных, являющимся следствием мутаций в Kir6.2, поскольку эти каналы могут оставаться закрытыми под действием таких препаратов, как производные сульфонилмочевины или глиниды, и инсулиновая терапия может быть ограничена или приостановлена.

Сравнительная модель субъединицы Kir6.2 позволила выполнить пространственное картирование остатков, подвергшихся мутации при диабете новорожденных, и тем самым проиллюстрировала молекулярный механизм, лежащий в основе пониженной чувствительности АТФ-чувствитель- ных калиевых каналов (Hattersley and Ashcroft 2005). Пациенты с мутацией в Kir6.2 имеют ряд фенотипов, которые однозначно коррелируют с природой мутации. Например, пациенты с нейрологическими симптомами имеют мутации, которые не имеют непосредственного отношения к связыванию АТФ, но делают сильно предпочтительным открытое состояние канала и таким образом уменьшают способность АТФ его блокировать (АТФ стабилизирует закрытое состояние канала).

Недавние исследования показали, что можно выделить группу пациентов с постоянным диабетом новорожденных, имеющих мутацию L164P в Kir6.2 и невосприимчивых к терапии сульфонилмочевиной (Tammaro et al. 2008). Анализ пространственного положения L164 показал, что этот остаток лежит глубоко внутри структуры белка на удалении 35 Å от сайта связывания АТФ, и поэтому его непосредственное участие в снижении связывания АТФ маловероятно. Вместо этого, мутация L164P, вероятно, дестабилизирует закрытое состояние канала, с которым преимущественно и связываются производные сульфонилмочевины и которое редко достигается в каналах с повышенной вероятностью открытого состояния. Все вместе эти результаты показывают, что восприимчивость к лекарственным препаратам зависит от природы конкретной мутации, но она может быть предсказана путем детального анализа модели белка.