Саммит наметил курс по раскрытию истоков генетических заболеваний: исследователи создают наиболее полную модель сложной белковой техники

Команда под руководством Ивайло Иванова из Университета штата Джорджия использовала 200-петафлопсную систему IBM AC922 Summit, самый умный и мощный суперкомпьютер в мире, для разработки интегративной модели комплекса преинициации транскрипции (PIC), комплекса белков, жизненно важных для экспрессии генов. Результаты этой работы опубликованы в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

Экспрессия генов включает преобразование генетической информации, происходящей из ДНК, для производства функциональных молекул, таких как белки – строительных блоков всех живых организмов – посредством этапов, известных как транскрипция и трансляция. Поскольку генные мутации могут мешать экспрессии генов и вызывать заболевание, ученые-биомедики особенно заинтересованы в понимании связи между уникальным генетическим составом или генотипом пациента и внешним проявлением болезни или фенотипа.

Лучшее понимание сложных взаимоотношений между генотипом и фенотипом может выявить, как мутации вызывают генетические заболевания, и, таким образом, способствовать разработке более эффективных методов лечения. Исследователи еще не до конца понимают, как унаследованные мутации влияют на функцию белков.
«Как сломанный механизм в машине, мутационные изменения нарушают функцию дефектного белка, процесс, который включает изменения как в структуре, так и в динамике», – сказал Иванов. «Это сочетание факторов представляет собой проблему для традиционных методов структурной биологии.»
На протяжении всего сложного и строго регулируемого процесса транскрипции генов ферменты, называемые Pol I, Pol II и Pol III, вместе именуемые РНК-полимеразами, играют важную роль.

Pol II помогает опосредовать синтез белка, процесс преобразования генетической информации в белки.

Во время инициации – первого этапа транскрипции – Pol II и множество общих факторов транскрипции (GTF) собираются в области ДНК, называемой промотором, с образованием PIC.

Открытие промотора зависит от фактора транскрипции II человека (TFIIH), GTF, состоящего из нескольких белковых цепей, который обладает способностью раскручивать цепи двойной спирали ДНК для инициации транскрипции. TFIIH также способствует репарации ДНК.
Поскольку биохимические пути, ответственные за экспрессию и репарацию генов, взаимосвязаны, понимание молекулярного механизма, лежащего в основе этого процесса, имеет решающее значение для продвижения биомедицинских приложений.

Например, наличие мутаций в трех субъединицах TFIIH напрямую приводит к тяжелым генетическим заболеваниям, включая аутоиммунные и неврологические расстройства.
Предыдущие попытки охарактеризовать ПОС были ограничены неполными моделями. Самая полная модель PIC на сегодняшний день, новая версия команды обеспечивает превосходное понимание структурной организации этих белков, которые транскрибируют гены и восстанавливают ДНК.

Чтобы разработать свою модель PIC, исследователи объединили данные криоэлектронной микроскопии (CryoEM) – метода структурной биологии, который использует электронный луч для изучения криогенно замороженных образцов белка – и крупномасштабного моделирования молекулярной динамики на Summit с использованием Nanoscale Molecular Код динамики (NAMD). Саммит расположен в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), Научно-исследовательском центре Министерства энергетики США (DOE) в Национальной лаборатории DOE Oak Ridge National Laboratory (ORNL).
«Новая модель дает нам наиболее полное представление о структуре TFIIH, что помогает нам понять динамику этих белков и позволяет нам картировать происхождение мутаций, происходящих от пациентов, что потенциально делает возможным будущие биохимические эксперименты, направленные на понимание структурных механизмов TFIIH. , «Сказал Иванов.

Моделирование выявило иерархическую организацию PIC и объяснило, как ее многочисленные структурные компоненты функционируют для модификации ДНК. Сопоставив 36 различных мутаций, полученных от пациентов, с моделью PIC, команда определила, что мутации имеют тенденцию группироваться в критических областях TFIIH, включая субъединицу, известную как XPD, которая препятствует правильной работе GTF и приводит к заболеванию.

«Вычисления абсолютно необходимы для обеспечения связи между структурой, полученной из данных CryoEM, и фенотипом заболевания, который представляет собой концепцию высокого уровня, которую трудно объяснить с помощью ответов, основанных исключительно на традиционной биохимии и структурной биологии», – сказал Иванов.
Из этих результатов команда получила детальное представление о трех различных генетических нарушениях, связанных с раком, старением и дефектами развития, раскрывая их отличительные молекулярные механизмы.

«Если вы знаете, какие участки белка затронуты, то вы потенциально можете разработать методы лечения генетических заболеваний, но без фундаментального понимания основного механизма все ставки неверны», – сказал Иванов.
Это достижение обеспечивает основу для будущих экспериментальных и вычислительных усилий, которые могут точно определить мутации, вызывающие генетические нарушения, объяснить особый вклад TFIIH в транскрипцию и репарацию ДНК и глубже изучить механизмы экспрессии генов.
Хотя это исследование было бы осуществимо на других высокопроизводительных вычислительных платформах, доступ к Summit значительно ускорил моделирование команды.
«Работа на высшем уровне ускоряет наши исследования», – сказал Иванов. «Вместо того, чтобы тратить несколько месяцев на работу в другой системе, мы смогли завершить наши расчеты за считанные дни, что сэкономило нам много времени и усилий.»

В этом году команда проведет соответствующие расчеты на Summit в рамках программы 2019 Innovative and New Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE). Исследователи в основном изучали Pol II, но они планируют расширить свой проект, чтобы изучить функциональную динамику Pol I и Pol III, что может привести к более новаторским открытиям.

«Мы с нетерпением ждем возможности выйти за рамки простого описания механизмов транскрипции, чтобы выяснить их связь с генетическими заболеваниями», – сказал Иванов.