Ученый из Рутгерса является частью международной группы, которая определила процесс включения селена — важного микроэлемента, содержащегося в почве, воде и некоторых пищевых продуктах, который усиливает антиоксидантное действие в организме — включающего 25 специализированных белков, открытие, которое может помочь в разработке новых Терапия для лечения множества заболеваний от рака до диабета.

Исследование, подробно описанное в журнале Science, включает в себя наиболее подробное описание процесса, посредством которого селен попадает туда, где он должен находиться в клетках, что имеет решающее значение для многих аспектов клеточной и организменной биологии. Во-первых, селен инкапсулирован в селеноцистеин (Sec), незаменимую аминокислоту . Затем Sec включается в 25 так называемых селенопротеинов, все они являются ключевыми для множества клеточных и метаболических процессов .

По словам исследователей, в том числе Пола Коупленда, профессора кафедры биохимии и молекулярной биологии Медицинской школы имени Роберта Вуда Джонсона, понимание работы этих жизненно важных механизмов имеет решающее значение для разработки новых медицинских методов лечения.

«Эта работа выявила структуры, которые никогда раньше не наблюдались, некоторые из которых уникальны для всей биологии», — сказал Коупленд, автор исследования.

Коупленд и его команда смогли визуализировать клеточные механизмы с помощью специализированного криоэлектронного микроскопа , который использует пучки электронов, а не свет для формирования трехмерных изображений сложных биологических образований с разрешением, близким к атомному. В процессе используются замороженные образцы молекулярных комплексов, а затем применяется сложная обработка изображений — с использованием огромных современных вычислительных мощностей для объединения тысяч изображений для создания трехмерных поперечных сечений и даже покадровой анимации, передающей ощущение движения внутри биомолекул. В результате ученые могут просматривать представления о сложной структуре белков и других биомолекул и даже о том, как эти структуры движутся и изменяются, поскольку они функционируют как клеточные «машины».

Включение селена происходит глубоко внутри сложного механизма отдельной клетки. Ученые уже знали, какие белки и молекулы РНК — нуклеиновой кислоты, присутствующей во всех клетках, участвующих в производстве белков, — запускают этот процесс. Однако они не смогли различить критический этап того, как эти факторы работали в тандеме для завершения цикла, диктуя функцию клеточной рибосомы — большой макромолекулярной машины, которая связывает РНК для производства большего количества белков. Они обнаружили, что происходящие процессы не похожи ни на какие другие, происходящие в человеческом теле.

«Эта аминокислота прикрепляется к уникальной молекуле РНК, которая должна быть перенесена на рибосому с помощью уникального белкового фактора», — сказал Коупленд, чья лаборатория провела последние 20 лет, работая над тем, чтобы понять, как эти биомолекулы функционируют на биохимическом уровне. «И все это эволюционировало у людей специально для того, чтобы позволить селену быть включенным в эту горстку белков».

Как только Sec внедряется в селенопротеины, белки выполняют широкий спектр жизненно важных функций, необходимых для роста и развития. Они производят нуклеотиды, строительные блоки ДНК. Они расщепляют или хранят жир для получения энергии. Они создают клеточные мембраны. Они производят гормон щитовидной железы , который контролирует обмен веществ в организме человека . И они реагируют на то, что известно как окислительный стресс, путем детоксикации химически реактивных побочных продуктов в клетках .

Болезни и расстройства, такие как рак, болезни сердца , мужское бесплодие, диабет и гипотиреоз, могут возникнуть при нарушении выработки селенопротеинов.

«Понимание механизма включения Sec является основополагающей частью разработки новых методов лечения множества болезненных состояний», — сказал Коупленд.