强大的超级计算机被用来揭示激活50%皮肤癌细胞突变的机制。这项研究有助于更好地了解皮肤癌，并设计出更好的药物。XSEDE的Stampede2超级计算机桥加速皮肤癌研究。这项研究的结果发表在《Science》杂志上。

        它开始很小，只是皮肤上的一个小瑕疵。最常见的痣保持这种状态的方式是一群被称为黑素细胞的无害皮肤细胞，它们给我们提供色素。在极少数情况下，一开始的痣会变成黑素瘤，这是最严重的一种人类皮肤癌，因为它可以扩散到全身。

         2002年，科学家发现皮肤癌和B-Raf(快速加速纤维肉瘤)激酶突变之间存在联系，B-Raf激酶是一种蛋白质，它是信号链的一部分，从细胞外开始，进入细胞内指导细胞生长。这一信号通路被称为Ras/Raf/Mek/Erk激酶通路，对癌症研究非常重要，因为癌症研究试图了解细胞生长失控的情况。

        B-Raf V600E因此成为一个重要的药物靶点，在随后的几年里，该突变体的特异性抑制剂被开发出来。药物抑制了突变体，但奇怪的事情发生了。矛盾的是，让突变体安静下来也有不利的一面。它激活了未突变的野生型B-Raf蛋白激酶，这再次触发了黑色素瘤。

        “在这种背景下，我们致力于研究这种重要的蛋白质——B-Raf的结构，”加州大学伯克利分校(UC Berkeley)约翰库里扬实验室(John Kuriyan Lab)的博士后研究员近藤康司(Yasushi Kondo)说。近藤是2019年10月发表在《科学》(Science)杂志上的一项研究的合著者，该研究确定了构成B-Raf的蛋白质复合物的结构，并发现了B-Raf的反常激活是如何发生的。

        “我们的目标是研究这种蛋白更接近于天然的状态，以了解它在细胞中是如何被调控的，因为大多数研究都集中在孤立激酶域，以及药物是如何与激酶域结合的。”近藤说。

        完整长度的B-Raf蛋白是由几个由无序区域连接的区域组成的，这对于科学家来说太笨重了，还无法想象。近藤的技术是利用intein化学技术制造更小的碎片，然后把它们缝合起来，得到完整的结构。

        近藤说:“因此，我们获得了一种活性形式的全长B-Raf二聚体，称为B-Raf与14-3-3二聚体共纯化，这种支架蛋白与磷酸化的B-Raf c端尾部结合。”

        近藤的团队使用低温电子显微镜(cryo-EM)来确定B-Raf 14-3-3复合物的结构，基本上是低温冷冻蛋白复合物，使其保持在化学活性的、接近自然的环境中。接下来，他们用电子束照射它以获得数千个“定格”。他们筛选了背景噪音，重建了三维密度图，显示了分子形状中此前未知的细节。对于蛋白质来说，形式服从功能。

        近藤解释说，这种结构揭示了复合物的不对称结构，是由两组内部对称的二聚体或成键分子对形成的。近藤说:“我们认为这种意想不到的排列使得B-Raf二聚体的不对称激活成为可能，这种机制解释了小分子抑制剂对B-Raf的反常激活的起源。”

        对非对称B-Raf 14-3-3复杂结构的详细分析显示了另一个意想不到的结构特征，即一个B-Raf分子的远端尾段，简称DTS。近藤说，其中一个的尾部与另一个的活性位点结合，通过与ATP结合竞争来阻断其活性。被阻断的B-Raf分子稳定在活性构象中。近藤说:“我们解释说，这种结构阻止了B-Raf分子的激活，并通过二聚物界面稳定了另一个B-Raf受体。”

        有趣的是，两位作者将B-Raf二聚体与中国的阴阳圆符号进行了比较。阴阳圆符号表示相互连接的对立面在尾部连接。“从研究对象来看，很明显，一个人不能磷酸化下游分子，这是细胞生长所必需的。另一个分子显然是起作用的。在这两组分子中，我们可以清楚地看到一个在做辅助的工作，另一个在做实际的工作。在我们解决的B-Raf 14-3-3复合物中，它确实看起来像阴阳。”近藤说。

        然而，外表可能具有欺骗性。科学家们使用计算机模拟来帮助证实他们确实是在做某件事。“我们对这种复杂的B-Raf二聚体与14-3-3二聚体结合进行了分子动力学模拟，以测试其不对称构象的稳定性，”该研究的合著者Deepti Karandur说，他也是加州大学伯克利分校John Kuriyan实验室的博士后研究员;她也是霍华德·休斯医学研究所的博士后研究员。“我们不知道为什么构象是不对称的，也不知道它在维持酶的活性状态中起了什么作用，”Karandur说。

        他们开始使用近藤已经用低温电子显微镜解决的结构进行模拟，DTS片段从一个激酶进入另一个激酶的活性位点。然后，他们进行了第二组模拟，去掉了DTS段。

        “我们发现，在没有远端尾节的系统中，整个复合体是不稳定的，”Karandur解释说。“激酶结构域相对于支架，14-3-3二聚体移动。在我们的一个模拟,二聚体的b - raf本身,而实验表明有必要保持活动状态的激酶,它破裂,表明这远端尾部分,DTS,必须保持这个复杂的在这种不对称的构象,从而有必要保持稳定的激酶二聚体不对称二聚体活动状态。”

        本研究的主要结果之一是发现两种B-Raf激酶和两种14-3-3支架蛋白在B-Raf激酶复合物上发生转换的作用机制，其中B-Raf激酶是激活剂，另一种是受体。

        近藤说:“受体分子的尾部位于激活剂的活性部位，所以激活剂不能像酶一样起作用。”相反，激活分子稳定受体分子的活性构象。14-3-3支架蛋白促进了这种排列，使尾部插入只发生在一个激酶分子上。我们假设，当不存在14-3-3结合时，两个激酶都可以被插入的DTS所阻断，但这需要进行测试。”

        这项研究的计算挑战包括在原子水平上模拟蛋白质的分子动力学模拟，确定一个由大约20万个原子组成的系统中每个原子对其他原子的作用力，时间步长为两飞秒。

        卡兰杜尔说:“对于小系统，我们可以相对快速地看到发生了什么，但对于像这样的大系统，特别是大型生物分子系统，这些变化发生在纳秒级、微秒级甚至毫秒级。”

        Karandur和他的同事求助于XSEDE(国家自然科学基金会资助的极端科学和工程发现环境)，在德克萨斯州高级计算中心(TACC)的Stampede2超级计算机上分配时间来做模拟，以及在匹兹堡超级计算机中心的桥系统来研究路径上的其他蛋白质。Stampede2的Skylake处理器节点，与Intel Omnipath联网，使为超级计算机优化的NAMD分子动力学模拟快速工作。

        Stampede2运行得非常非常快，而且非常高效。我们在大约4到6周的时间里为我们的系统生成了大约1.5微秒的轨迹。然而，如果我们在自己的内部集群上运行它，将花费我们几个月甚至更长时间，”Karandur说。

        关于XSEDE, Karandur评论道:“我认为这是一个令人惊奇的资源。我从研究生的时候就开始做模拟实验了。XSEDE使我们能够访问生物学上相关的时间表。细胞中发生的所有事情都以微秒为单位，以毫秒为单位，以更长的时间为单位。当我开始的时候，我们不能在任何地方的任何系统上运行这个模拟。我的意思是，这可能需要五年或更长的时间。能在几周内完成，然后说，好吧，我们知道为什么这很重要，所以我们现在可以开始真正理解生物学是如何发生的，这太神奇了。”

        关于B-Raf还有很多有待发现。它只是控制细胞生长和癌症的信号链中的一个环节。

        “在这篇论文中解决的结构是一个大型、多领域系统的一部分，”Karandur解释道。“我们不知道完整的蛋白质是什么样的。我们在结构中看不到它。我们不知道它的动力学是什么样的，也不知道蛋白质的其他部分是如何在维持活性状态或将其从非活性状态转化为活性状态中发挥作用的。”

        她进一步指出，随着系统变得更大，相关的结构变化会在更长的时间尺度上发生，需要更大的超级计算机来处理复杂性，比如同样位于TACC的、由nsf资助的Frontera超级计算机。

        “弗朗特拉就要成功了。我们对此非常兴奋。我们正在获得弗朗特拉的拨款，”卡兰杜尔说。

        对于非科学家来说，这项基础研究可能会为开发治疗皮肤癌的更好药物提供思路。

        近藤说:“在皮肤癌治疗过程中，这些b -Raf特异性抑制剂对Raf激酶的似是而非的激活会使正常细胞变成肿瘤。”了解这一现象的机理将有助于我们设计出更好的药物。希望我们的研究能有助于理解这一步。此外，我们还发现了激酶结构域和B-Raf分子的14-3-3结合元件之间的这种联系的突变，这是以前从未发现过的。这种突变降低了B-Raf在细胞中的活性。这也表明激酶结构域的这一部分可能成为开发新型B-Raf抑制剂的靶点。”

        卡兰杜尔说:“细胞里发生了很多变化。我们，很大程度上是因为XSEDE，才开始能够看到这样的东西。展望未来，我们继续观察事物的唯一方法是使用非常非常大的超级计算机，因为计算需要大量的计算能力。能够亲眼目睹这些事情的发生，并说这是原子层面上的变化，这真的很令人兴奋;这里是这两个原子之间的相互作用形成或打破，这转化为蛋白质整体结构的巨大变化，以及它如何与细胞中的其他蛋白质或分子相互作用。我们对它未来的走向感到非常兴奋。”

        来源：Medindia

         ‍此文系悬壶济世网原创整理，没‍有授权，请勿转载！