מידול ליגנדות למפות הנגזרות מקריומיקרוסקופ אלקטרונים

תאים משיגים את תפקידיהם על ידי ביצוע אינספור תגובות כימיות בו זמנית ובאופן עצמאי, כל אחת מווסתת בקפידה כדי להבטיח את הישרדותם ואת יכולת ההסתגלות שלהם בתגובה לרמזים סביבתיים. זה מושג על ידי זיהוי מולקולרי, המאפשר ביומולקולות, במיוחד חלבונים, ליצור קומפלקסים חולפים או יציבים עם מקרומולקולות אחרות, כמו גם מולקולות קטנות או ליגנדות¹. לפיכך, אינטראקציות חלבון-ליגנד הן בסיסיות לכל התהליכים בביולוגיה, הכוללים את ויסות ביטוי ופעילות החלבון, זיהוי מצעים וקו-פקטורים על ידי אנזימים, כמו גם כיצד תאים תופסים ומעבירים אותות ^1,2. הבנה טובה יותר של התכונות הקינטיות, התרמודינמיות והמבניות של קומפלקס החלבון-ליגנד חושפת את הבסיס המולקולרי של אינטראקציית ליגנד וגם מאפשרת תכנון רציונלי של תרופות על ידי אופטימיזציה של אינטראקציה וספציפיות של תרופות. גישה חסכונית ומהירה יותר לחקר אינטראקציה בין חלבונים לליגנדים היא שימוש בעגינה מולקולרית, שהיא שיטה חישובית שלמעשה סורקת מגוון רחב של מולקולות קטנות וחוזה את מצב הקישור והזיקה של ליגנדות אלה לחלבוני מטרה³. עם זאת, ראיות ניסיוניות ממבנים ברזולוציה גבוהה שנקבעו על ידי עקיפה של קרני רנטגן (XRD), תהודה מגנטית גרעינית (NMR) או קריומיקרוסקופ אלקטרונים (cryoEM) מספקות את ההוכחה החיונית לתחזיות כאלה ומסייעות בפיתוח מפעילים או מעכבים חדשים ויעילים יותר למטרה נתונה. מאמר זה משתמש בקיצור ‘cryoEM’ כפי שנהוג להתייחס לטכניקה. עם זאת, קיים ויכוח מתמשך על בחירת המינוח הנכון, ולאחרונה הוצע המונח cryogenic-sample Electron Microscopy (cryoEM) כדי לציין שהדגימה נמצאת בטמפרטורה קריוגנית ומצולמת עם אלקטרונים⁴. באופן דומה, המפות הנגזרות מ- cryoEM נקראו פוטנציאל אלקטרונים, פוטנציאל אלקטרוסטטי או פוטנציאל קולומב, ולשם הפשטות, כאן אנו משתמשים במפות cryoEM 5,6,7,8,9,10.

למרות ש-XRD הייתה טכניקת תקן הזהב בקביעת מבנה ברזולוציה גבוהה של קומפלקסים של ליגנד חלבונים, לאחר מהפכת הרזולוציה¹¹ cryoEM צברה תאוצה, כפי שעולה מהנחשול של מפות פוטנציאליות קולומב או מפות cryoEM שהופקדו במסד הנתונים של מיקרוסקופ אלקטרונים (EMDB)^12,13 במהלך השנים האחרונות¹⁴. הודות להתקדמות בהכנת דגימות, הדמיה ושיטות עיבוד נתונים, מספר תצהירי בנק נתוני החלבונים (PDB)¹⁴ המשתמשים ב- cryoEM גדל מ- 0.7% ל- 17% בין 2010 ל- 2020, כאשר כ- 50% מהמבנים שדווחו בשנת 2020 נקבעו ברזולוציה של 3.5 Å או טוב יותר^15,16. CryoEM אומץ במהירות על ידי קהילת הביולוגיה המבנית, כולל תעשיית התרופות, מכיוון שהוא מאפשר לחקור מקרומולקולות ביולוגיות גמישות ולא גבישיות, במיוחד חלבוני ממברנה וקומפלקסים מרובי חלבונים, ברזולוציה כמעט אטומית, להתגבר על תהליך ההתגבשות ולקבל גבישים דיפרקציה היטב הדרושים לקביעת מבנה ברזולוציה גבוהה על ידי XRD.

מידול מדויק של הליגנד במפת cryoEM הוא בעל חשיבות עליונה, מכיוון שהוא משמש כשרטוט של קומפלקס ליגנד החלבונים ברמה המולקולרית. ישנם מספר כלים אוטומטיים לבניית ליגנדים המשמשים בקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן התלויים בצורה ובטופולוגיה של צפיפות הליגנד על מנת להתאים או לבנות את הליגנד לצפיפות אלקטרונים 17,18,19,20. עם זאת, אם הרזולוציה נמוכה מ- 3 Å, גישות אלה נוטות לייצר תוצאות פחות רצויות מכיוון שהתכונות הטופולוגיות שבהן הן תלויות לצורך הכרה ובנייה הופכות פחות מוגדרות. במקרים רבים, שיטות אלה הוכחו כלא יעילות במידול מדויק של ליגנדות למפות cryoEM, מכיוון שמפות אלה נקבעו בטווח הרזולוציה הנמוכה עד בינונית, בדרך כלל בין 3.5 Å-5 Ź⁷.

השלב הראשון בקביעת מבנה תלת-ממדי של קומפלקס ליגנד חלבוני על ידי cryoEM כולל טיהור משותף של הליגנד עם החלבון (כאשר לליגנד יש זיקה גבוהה לחלבון) או דגירה של תמיסת החלבון עם הליגנד למשך זמן מסוים לפני הכנת הרשת. לאחר מכן, נפח דגימה קטן מונח על רשת TEM חורית מנוקה פלזמה, ואחריו הקפאת הבזק באתאן נוזלי ובסופו של דבר הדמיה עם cryo-TEM. תמונות ההקרנה הדו-ממדיות ממאות אלפי עד מיליוני חלקיקים בודדים ממוצעות כדי לשחזר מפה תלת-ממדית (תלת-ממדית) של פוטנציאל קולומב של המקרומולקולה. זיהוי ומידול ליגנדות ומולקולות ממס במפות אלה מציבים אתגרים משמעותיים במקרים רבים בשל הרזולוציה האנאיזוטרופית על פני המפה (כלומר, הרזולוציה אינה אחידה על פני המקרומולקולה), גמישות באזור שבו הליגנד קשור והרעש בנתונים. רבים מכלי המידול, העידון וההדמיה שפותחו עבור XRD מותאמים כעת לשימוש ב- cryoEM לאותן מטרות 18,19,20,21. במאמר זה מוצגת סקירה כללית של שיטות ותוכנות שונות המשמשות כיום לזיהוי ליגנדות, בניית מודלים וחידוד הקואורדינטות הנגזרות מ- cryoEM. פרוטוקול שלב אחר שלב סופק כדי להמחיש את התהליכים המעורבים במידול ליגנדות באמצעות קומפלקסים ספציפיים של ליגנדים חלבוניים ברזולוציה ומורכבות משתנות.

השלב הראשון במידול ליגנדות במפות cryoEM כולל זיהוי צפיפות הליגנד (שאינו חלבון) במפה. אם קשירת ליגנד אינה גורמת לשינוי קונפורמטיבי כלשהו בחלבון, אזי חישוב מפת הפרשים פשוטה בין קומפלקס החלבון-ליגנד לבין חלבון האפו-חלבון מדגיש למעשה את האזורים בעלי צפיפות יתרה, מה שמרמז על נוכחות הליגנד. הבדלים כאלה ניתן לראות מיד, כפי שהוא דורש רק שתי מפות, ואפילו מפות ביניים במהלך תהליך של עידון 3D ניתן להשתמש כדי לבדוק אם הליגנד קיים. בנוסף, אם הרזולוציה גבוהה מספיק (<3.0 Å), מפת ההפרשים יכולה גם לספק תובנות לגבי המיקום של מולקולות מים, כמו גם יונים המקיימים אינטראקציה עם הליגנד ושאריות החלבון.

בהיעדר מפת חלבון אפו, ניתן כעת להשתמש ב- Servalcat²², הזמין ככלי עצמאי ושולב גם בחבילת התוכנה CCP-EM^23,24 כחלק מעידון Refmac ובשחרור CCP4 8.0^25,26. Servalcat מאפשר חישוב של מפת הפרש משוקלל FSC (Fo-Fc) באמצעות חצאי מפות לא מחודדות ומודל אפופרוטאין כקלט. מפת השמיטה Fo-Fc מייצגת את הפער בין המפה הניסויית (Fo) לבין המפה הנגזרת מהמודל (Fc). בהיעדר ליגנד במודל, צפיפות חיובית במפת Fo-Fc החופפת למפת EM ניסיונית בדרך כלל מרמזת על נוכחות הליגנד. ההנחה כאן היא ששרשרת החלבונים מותאמת היטב במפה, והצפיפות החיובית הנותרת מצביעה על מיקום הליגנד. עם זאת, חשוב לבחון היטב האם הצפיפות החיובית נובעת מאי דיוקים במידול, כגון רוטמר שגוי של שרשרת צדדית של חלבון.

השלב השני כרוך בהשגה או יצירה של קובץ קואורדינטות קרטזי של הליגנד עם גאומטריה מוגדרת היטב מהמידע הכימי הזמין. ליגנדות סטנדרטיות (לדוגמה, ATP ו-NADP⁺) שכבר זמינות בספריית המונומרים CCP4 יכולות לשמש לעידון על-ידי אחזור קובצי הקואורדינטות והגיאומטריה באמצעות קוד ההצטרפות המונומרי שלהם. עם זאת, עבור ליגנדות לא ידועות או לא סטנדרטיות, כלים שונים זמינים ליצירת קובצי הגיאומטריה. חלק מהדוגמאות כוללות את eLBOW²⁷ – (בונה ליגנדים אלקטרוניים ושולחן עבודה אופטימיזציה) בפניקס²⁸, לידיה – כלי מובנה ב- Coot²⁹, JLigand/ACEDRG^30,31, CCP-EM^23,24, Ligprep^{32-מודול} של Glide בתוך חבילת שרדינגר. לאחר מכן קובץ קואורדינטות הליגנד מותאם בצפיפות, מונחה הן על ידי מפת ה- cryoEM הניסיונית והן על ידי מפת ההפרשים ב- Coot. זה ואחריו עידון החלל האמיתי בפניקס²⁸ או עידון הדדי ב Refmac³³. תחנת עבודה לינוקס או מחשב נייד מצויד כרטיס גרפי טוב ואת התוכנה הנ”ל נדרש. רוב התוכניות הללו כלולות בסוויטות שונות. CCP-EM²⁴ ו- Phenix²⁸ זמינים באופן חופשי למשתמשים אקדמיים וכוללים מגוון כלים המשמשים במאמר זה, כולל Coot, Refmac5 33,34,35,36, Servalcat, phenix.real_space_refine וכו ‘. באופן דומה, Chimera³⁷, ו- ChimeraX³⁸ מספקים רישיונות בחינם למשתמשים אקדמיים.