Esquerra:estructura de l’ATC d'Arabidopsis unida a UMP. a) Estructura cristal·lina del trímer atATC amb cada subunitat lligada a una molècula d’UMP (esferes grogues). Es mostra una subunitat sobre fons gris. b) Detall del centre actiu amb UMP unit. Les molècules d’aigua es mostren com esferes vermelles. Les interaccions electrostàtiques s’indiquen amb línies discontínues. Dreta: estructura de l’ATC d’Arabidopsis en representació superficial (en cian) amb els tres centres actius indicats en groc. A la part superior, es mostra el model atòmic d’UMP, l’inhibidor natural de la proteïna. El fons mostra una planta d’Arabidopsis.
Cerdanyola del Vallès, 7 juliol 2021 Un nou estudi sobre les pirimidines i sobre com aquestes són sintetitzades en la natura ha estat publicat recentment a Nature Communications. Les pirimidines són molècules orgàniques essencials per al nostre material genètic, ja que són unes de les molècules que formen l’ADN. També juguen altres papers clau en molts d’altres processos cel·lulars.
En particular, l’equip de recerca ha estudiat la proteïna anomenada aspartat transcarbamilasa o ATC, un enzim amb un paper central en la síntesi de pirimidines en tots els éssers vius. Prèviament, ja havien caracteritzat l’estructura i funció de l’ATC humana. Tanmateix, molt poc es coneixia sobre l’ATC de les plantes, tan sols que té un mecanisme de regulació únic: és inhibida per la molècula uridina 5-monofosfat (UMP), producte de la ruta metabòlica a partir de la qual es fabriquen tots els altres nucleòtids de pirimidina.
Amb tècniques de llum de sincrotró, l’equip ha determinat per primer cop l’estructura d’una ATC d’una planta, concretament de la planta model Arabidopsis thaliana, sola i unida a UMP (l’inhibidor natural); i també formant un complex amb PALA, un inhibidor dissenyat que imita l’estat de transició de la reacció enzimàtica. Les dades estructurals obtingudes en ambdós sincrotrons, l’ALBA i l’ESRF, combinades amb altres anàlisis, han permès descriure las bases del mecanisme funcional de l’enzim i com la seva activitat és regulada en les plantes.
L’equip científic ha fet dos descobriments innovadors: en primer lloc, que inesperadament UMP inhibeix l'enzim mitjançant la unió directa i el bloqueig del seu centre actiu. En segon lloc, que tot i ser un trímer amb tres centres actius, l'enzim catalitza la reacció només en un centre actiu cada vegada.
Des de l’estructura proteica al disseny de nous inhibidors i fins al diagnòstic d’una epilèpsia rara
Aquest és un projecte de recerca bàsica, enfocat en entendre l’ATC, un enzim ubic indispensable pel creixement i proliferació cel·lular. ATC i altres enzims involucrats en la síntesi de pirimidines han estat durant molt temps dianes atractives per al disseny de compostos antiproliferatius per combatre el càncer i altres malalties. La farmacèutica Bayer ha finançat part del projecte a través del programa Grants4Targets, per l’interès en fabricar inhibidors de l’ATC com a potencials herbicides. Paral·lelament, el grup de Santiago Ramón-Maiques estudia l’ATC en humans, on l’enzim forma part d’un complex proteic molt més gran anomenat CAD, una diana antitumoral que ha mantingut el seu laboratori ocupat durant els darrers deu anys. "Per inhibir selectivament el complex CAD, primer hem d'entendre com funciona", explica Santiago. Preguntat sobre per què estudiar les plantes quan l’objectiu és manipular una proteïna humana, explica que “és difícil fabricar compostos antitumorals contra l’activitat ATC de CAD. Per què no mirar primer les solucions ja trobades per la natura a través de milions d’anys d’evolució?” I això és el que precisament han descobert: les solucions úniques trobades per les plantes per inhibir selectivament l’ATC. “Hem après una lliçó important dels nostres parents vegetals. Ara la qüestió és com es tradueix el mode d’unió d’UMP a l’ATC de les plantes per dissenyar nous inhibidors antiproliferatius específics contra l’ATC humana” comenta Santiago en parlar sobre els propers passos en la recerca.
El grup forma part del CIBER de Malalties Rares (CIBERER) i participa activament en la correcta diagnosi d’una malaltia neurometabòlica rara causada per defectes en CAD. La malaltia es va descriure per primera vegada el 2015, en una criatura de 4 anys que presentava mutacions en l’ATC. "No sabíem per què la mutació era patogènica perquè no sabíem com funciona l'ATC. Com més aprenem sobre la proteïna, millor podem diagnosticar els nens afectats per aquesta malaltia”, explica Santiago. En aquest sentit, la nova informació obtinguda sobre l’ATC vegetal ajuda a comprendre millor els mecanismes de funcionament de l’enzim en persones i a predir el potencial patològic de les variants clíniques.
El projecte és una col·laboració dels grups de Torsten Möhlmann (Universität Kaiserslautern) i de Santiago Ramón-Maiques (Institut de Biomedicina de València IBV-CSIC i CIBERER). Tota la feina estructural ha estat realitzada pel grup de Ramón-Maiques. L’equip va comptar també amb l’expertesa d’Adrián Velázquez-Campoy (Universidad de Zaragoza i ISS Aragón) per fer els experiments ITC. Les estructures obtingudes a la línia de llum XALOC d’ALBA han resultat clau per demostrar els mecanismes d’inhibició dels centres actius de l’ATC de les plantes.
Referència: Leo Bellin, Francisco Del Caño-Ochoa, Adrián Velázquez-Campoy, Torsten Möhlmann & Santiago Ramón-Maiques. Mechanisms of feedback inhibition and sequential firing of active sites in plant aspartate transcarbamoylase. Nat Commun 12, 947 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21165-9
Amb la col·laboració de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia. El Sincrotró ALBA forma part de la xarxa d'Unitats de Cultura Científica i de la Innovació (UCC+i) de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia (FECYT) i ha rebut suport a través del projecte FCT-20-15798.
