Fascinated by Folding

Lila M. Gierasch Profesora Distinguida de la Universidad, Departamento de Bioquímica & Biología Molecular y Departamento de Química, Universidad de Massachusetts Amherst Editor en Jefe, Journal of Biological Chemistry PONCE ROS, ACTIONFOTO

En 1970, como estudiante graduado de primer año de biofísica en la Universidad de Harvard, Lila Gierasch tomaba un autobús a través de Cambridge todos los días para viajar entre la facultad de medicina y el campus principal. Un día, en el autobús, escuchó a alguien decir la palabra «colágeno». Gierasch, ahora profesor de bioquímica, biología molecular y química en la Universidad de Massachusetts Amherst, había estudiado colágeno como estudiante universitario. Su interés despertó, entabló una conversación en el autobús con la mujer que había pronunciado la palabra: Barbara Brodsky, entonces estudiante de posgrado en el laboratorio de Elkan Blout en el Departamento de Química Biológica de Harvard. «Empecé a conversar con ella y me contó sobre su trabajo con el colágeno en el laboratorio Blout. Ella…

El asesor de pregrado de Gierasch en Mount Holyoke College en Massachusetts le había advertido que probablemente Harvard sería un entorno más intimidante de lo que estaba acostumbrada. Creo que este probablemente habría sido el caso, excepto que tuve la suerte de tener a Blout como asesor. En su laboratorio, recibí apoyo y cuidados de la forma en que estaba acostumbrado. Hubo pocas barreras que encontré en el laboratorio. Era como una familia. No tomó muchos estudiantes de posgrado. Yo era solo uno de los dos estudiantes de posgrado y nos trataban igual y teníamos los mismos beneficios que los posdoctorados, dice Gierasch.

«El concepto de chaperonas moleculares recién estaba surgiendo, y nuestro laboratorio estaba preparado, usando herramientas biofísicas, para entender cómo estas proteínas reconocen sus sustratos… Queríamos entender cómo las interacciones de las chaperonas facilitan el plegamiento en la célula».

Bout había venido de Polaroid, donde había trabajado tanto en el revelado de películas en color como en la química de fotografías instantáneas, incluidos los revestimientos de polímeros para las películas Polaroid. Cuando estabas en su oficina, él recibía una llamada telefónica del director de un instituto israelí o ruso mientras intentabas contarle sobre tus problemas de investigación diarios. Su laboratorio estudió cómo las secuencias de aminoácidos dictan las conformaciones y la arquitectura estructural de las proteínas. Como estudiante de posgrado, Gierasch usó resonancia magnética nuclear (RMN) y otros métodos biofísicos para estudiar cómo la secuencia de aminoácidos determina la estructura local de los giros beta, un tipo común de motivo peptídico que se encuentra en muchas proteínas, usando péptidos cíclicos de seis aminoácidos. como modelo. Desde entonces, ha dedicado su carrera a descubrir cómo simples cadenas de aminoácidos se convierten en proteínas elaboradamente organizadas que hacen la mayor parte del trabajo dentro de las células. Aquí, Gierasch habla sobre cómo se han desarrollado los desafíos del plegamiento de proteínas a lo largo de su carrera, desde sus días como estudiante; una oferta de trabajo en un taller de reparación de automóviles durante la escuela de posgrado; y la gratificación que conlleva que sus alumnos logren sus objetivos.

Gierasch se pone en marcha

Ganarse el sustento. Gierasch creció en una familia de cinco, primero en el suburbio de Boston de Wayland, Massachusetts, y luego en la parte occidental del estado. Su madre era maestra y su padre ingeniero civil que reclutó a sus dos hijas y su hijo para ayudar con proyectos de construcción de bricolaje. Nunca hubo un momento de ocio en nuestro hogar. Sabía cómo verter concreto antes de que la mayoría de los niños aprendieran cosas más básicas de todos los días. Cuando construimos un cobertizo, ese cobertizo duraría más que cualquier cobertizo comercial. Fueron experiencias fantásticas, de modo que a medida que avanzaba mi vida no dudé en asumir proyectos bastante exigentes como arreglar autos o presidir un departamento de química. Múltiples talentos. En la escuela secundaria, Gierasch disfrutó y sobresalió en las clases de matemáticas y ciencias. Tuve buenos profesores de ciencias que alentaron mi curiosidad innata, dice. El interés de Gierasch por la enseñanza comenzó inesperadamente durante una clase de geometría. Recuerdo que el profesor me pidió que explicara los conceptos a toda la clase. Esa experiencia encendió mi amor por la enseñanza, dice ella. Gierasch también tenía muchos intereses fuera de la escuela. Ella y su hermano mayor, Peter, ahora profesor emérito de astronomía en la Universidad de Cornell, fueron de excursión, construyeron radios y telescopios, trabajaron juntos en automóviles y montaron a caballo, lo que llevó a un interés permanente en la equitación. Comienzo auspicioso. En 1966, Gierasch ingresó a Mount Holyoke College en South Hadley, Massachusetts, como una ciudadana, dice, que viajaba desde su casa. Ella había querido asistir a Holyoke desde que era una niña pequeña, tanto porque su madre había ido allí como porque parecía genial. Fue un lugar fantástico para mí. Es un lugar que alienta a las mujeres a hacer lo que elijan y fomenta un sentido de posibilidad. Durante su primer año, animada por su hermano mayor, entonces estudiante de posgrado, y su esposa, técnica en el laboratorio de Harvard de Matthew Meselson, Gierasch llamó a las puertas de los profesores de bioquímica de Harvard, con la esperanza de obtener un trabajo de investigación de verano. Alwin Pappenheimer, que estudió toxinas bacterianas, la invitó a conversar después de que todos los demás en el edificio de Biological Labs la rechazaron cortésmente. Era un tipo maravilloso de ojos brillantes que dijo que se me ocurriría un proyecto, dice Gierasch. Trabajó en su laboratorio durante dos veranos durante la universidad; más tarde le dijo que su mención de Mount Holyoke había despertado buenos recuerdos de conducir de un lado a otro para visitar a su entonces novia, una estudiante de Holyoke. Así que fue en parte pura suerte que me diera la oportunidad, pero fue una gran influencia en mi decisión sobre la escuela de posgrado y en mis intereses científicos, dice Gierasch. Cuando miro hacia atrás, me doy cuenta de que fui lo suficientemente aventurero y oportunista para tener estas oportunidades y aprovecharlas al máximo. Me siento muy afortunado. Raíces plegadoras de proteínas. Mientras estaba en Harvard durante el verano, Gierasch vio un cartel que anunciaba una conferencia de biofísica que se llevaría a cabo en el MIT. Asistir a la conferencia la ayudó a decidir estudiar biofísica en la escuela de posgrado. En Mount Holyoke, hizo una investigación con el químico Edwin Weaver que despertó su interés en el plegamiento de proteínas. En su laboratorio, ella purificó colágeno de colas de rata y estudió su capacidad para replegarse en diferentes condiciones, analizando las estructuras mediante microscopía electrónica (EM). El colágeno debería ser una proteína simple para replegarse debido a su estructura repetida, pero es complicado por el hecho de que tiene una estructura de triple hélice y se entrecruza a lo largo de las tres cadenas diferentes que deben enrollarse entre sí, dice Gierasch.

Gierasch cobra ímpetu

Trabaje como mecánico. Mientras estaba en la escuela de posgrado, Gierasch mantuvo sus pasatiempos, incluido trabajar en automóviles. Encontró dos MG1100 y decidió hacer un auto funcional con partes de ambos. No hay nada como armar un automóvil para descubrir cómo funciona uno, dice ella. Gierasch desarmó la transmisión de un automóvil con tanto entusiasmo que los pequeños resortes del interior volaron por todas partes y necesitó ayuda para volver a armarlos. Se presentó en el taller de transmisión local con una caja de repuestos, para sorpresa del experto en MG1100 que estaba allí. Seguí visitando la tienda local para comprar piezas del interior del motor, y cuando llegué a las juntas del volante, me ofrecieron un trabajo. Camino pedregoso. Gierasch había pensado desde la universidad que seguiría una carrera enseñando a estudiantes universitarios. Quería ofrecer a otros las mismas experiencias educativas que ella había disfrutado. A principios de su cuarto año en el laboratorio de Blouts, vio un anuncio para un puesto de titular de química en Amherst College. Gierasch aprovechó la oportunidad y se convirtió en profesora asistente de química en 1974 cuando solo tenía 24 años. Blout me dijo apropiadamente que pensara mucho sobre la decisión. Ahora, cada vez que me piden un consejo profesional, siempre digo: haz un posdoctorado, dice Gierasch. Yo era un cachorro y no tenía idea en lo que me estaba metiendo. Sobreviví y aterricé de pie, pero fue el período más difícil de mi vida. Gierasch tuvo que hacer malabarismos para completar su tesis, establecer un nuevo laboratorio y enseñar. Fue una de las primeras seis profesoras contratadas por la universidad, que estaba en transición a la educación mixta, y la única mujer en la facultad de matemáticas o ciencias. No fue fácil. Parecía joven y tenía problemas para ganarme el respeto de los estudiantes, en su mayoría hombres. Dejé la puerta de mi oficina abierta y fui amable, pero mis colegas de mayor rango me dijeron que sonreía demasiado. No les importó que obtuviera una subvención del NIH y una subvención de instrumentación de la NSF, dice ella. Aún así, Gierasch disfrutó interactuando con los estudiantes universitarios talentosos que se unieron a su laboratorio, y su trabajo sobre péptidos cíclicos prosperó con los coautores universitarios. Doblar y secretar. En 1977, Gierasch pasó un año sabático en la Universidad Louis Pasteur de Strasbourg en París, trabajando en el laboratorio de Jean-Marie Lehn, un químico orgánico que llegaría a ganar el Premio Nobel de química en 1987. Una autoproclamada francófila, Gierasch dice que disfrutó de la inmersión en el idioma y la cultura francesa y en la realización de investigaciones sobre cómo los ligandos orgánicos podrían diseñarse para unirse a los aniones. Cuando regresó a los EE. UU., Gierasch trasladó su laboratorio de Amherst a la Universidad de Delaware. Comenzó a cambiar su investigación hacia el diseño de modelos que imitan las características estructurales de las proteínas más cercanas a las que se encuentran en los sistemas biológicos nativos. Un enfoque fueron los códigos postales que dirigen la localización de proteínas, las secuencias de señales amino-terminales utilizadas por las células para dirigirse a las proteínas para la secreción. Lanzó este trabajo en su laboratorio después de conocer a Tom Silhavy, quien estaba explorando las funciones de las secuencias de señales utilizando la genética bacteriana. Reuníamos nuestros dos laboratorios y pasábamos un día entero analizando cómo resolver un problema usando técnicas complementarias, dice ella. El trabajo de Gierasch mostró, primero en colaboración con William DeGrado, que las interacciones entre las secuencias de señalización de proteínas, que generalmente se encuentran en el extremo N-terminal, y la membrana lipídica celular son importantes para la secreción de proteínas en las bacterias; y, más tarde, que los péptidos de señalización pueden cambiar de conformación para inducir la exportación de proteínas desde la célula. Plegamiento de proteínas dentro de la célula. En 1988, después de ocho años en la Universidad de Delaware, Gierasch se mudó al Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas en Dallas. Allí, su trabajo en las secuencias de señales la impulsó a preguntarse cómo se pliegan las proteínas durante su biosíntesis dentro de la célula, y la llevó a unirse al descubrimiento y la caracterización funcional de asistentes de plegamiento intracelular, chaperonas moleculares que ayudan a las proteínas a progresar desde secuencias de aminoácidos lineales hasta formas tridimensionales. en el complejo entorno celular. El concepto de chaperonas moleculares recién estaba surgiendo, y nuestro laboratorio estaba preparado, utilizando herramientas biofísicas, para comprender cómo estas proteínas reconocen sus sustratos. Las estructuras de las chaperonas no se conocían inicialmente, y era un rompecabezas fundamental cómo estas proteínas se unen a muchos sustratos diferentes y, sin embargo, se unen selectivamente a sustratos que están desplegados. Queríamos entender la base del reconocimiento de sustratos desplegados y cómo las interacciones de las chaperonas facilitan el plegamiento en la célula, dice Gierasch. En 1992, utilizando RMN, el postdoctorado de Gierasch, Samuel Landry, demostró que el mismo sustrato se une de manera diferente a dos proteínas chaperonas bacterianas, GroEL y DnaK. El laboratorio de Gierasch también caracterizó las regiones importantes de la cochaperona de GroEL, GroES, que modulan la afinidad de GroEL por sus sustratos y, en 1996, en colaboración con Johann Deisenhofer, resolvió la estructura cristalina de GroES.

Gierasch mira hacia adelante

Ratón de campo. En 1994, Gierasch se mudó nuevamente, esta vez a la Universidad de Massachusetts (UMass) Amherst, donde fue contratada para presidir el Departamento de Química. En la UMass, el laboratorio de Gierasch continuó trabajando con chaperonas y también abordó el mecanismo de plegamiento de las proteínas de hoja beta que tienen una cavidad en el centro para encapsular un ligando hidrofóbico. Debido a que los modelos anteriores para plegar proteínas tan complicadas se confundían tanto por el carácter de hoja beta como por el colapso hidrofóbico de la cavidad central, el laboratorio de Gierasch decidió abordar el problema de frente. Ella y la entonces estudiante de posgrado Patricia Clark siguieron la cinética de plegamiento de una proteína que se une al ácido retinoico que contiene una cavidad y descubrieron que las interacciones de la cadena lateral de los aminoácidos, en lugar de los enlaces de hidrógeno estables, desempeñan un papel importante en la creación de la cavidad y la arquitectura general de la proteína Todavía en el redil. Después de dos períodos como jefe de departamento, primero de Química y luego de Bioquímica & Biología Molecular, Gierasch estaba listo para volver a sumergirse en la investigación sin la carga de los deberes administrativos. El laboratorio de Gierasch abordó los desafíos y la vulnerabilidad que enfrentan las proteínas al plegarse in vivo como resultado del entorno celular. Las células despliegan una red compleja de componentes, llamada sistema de homeostasis de proteínas, para garantizar que el plegamiento se produzca con fidelidad y que las especies mal plegadas potencialmente perjudiciales se degraden. El sistema de plegamiento de proteínas dentro de la célula es tan complejo que Gierasch decidió solicitar la ayuda de otro experto en modelado matemático y plegamiento de proteínas, Evan Powers, para crear un modelo computacional de homeostasis de proteínas en E. coli que llaman FoldEco. Lo usamos para simular el destino de una proteína a medida que se sintetiza y se pliega, y luego hacemos experimentos para probar si nuestro modelo encapsula el proceso adecuadamente, dice Gierasch.

«Me siento muy afortunado porque muchos veces estuve en el lugar correcto en el momento correcto y pude sacar provecho de eso. Puedes hacer que las cosas sucedan si mantienes una perspectiva positiva y viertes tu energía y convences a las personas con tu pasión».

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Recientemente, su estudiante de posgrado Karan Hingorani descubrió que una pequeña molécula exógena actúa como un chaperón farmacológico específico y mejora en gran medida el plegamiento de una proteína grande pobremente plegada. Los resultados pueden tener implicaciones para el diseño de terapias para enfermedades que involucran el mal plegamiento de proteínas, incluidos Huntington y Alzheimer. El laboratorio también ha profundizado en el mecanismo de una clase importante de chaperonas moleculares, las Hsp70. En un artículo de Cell de 2012, la entonces postdoc Anastasia Zhuravleva mostró cómo las diferentes conformaciones de E. coli Hsp70, DnaK, le permiten llevar a cabo sus funciones de chaperona. El trabajo en curso en el laboratorio de Gierasch se basa en esta base y se extiende a los chaperones humanos que median en una amplia gama de funciones celulares. Gierasch devuelve. Hace un año, Gierasch asumió las riendas como editor en jefe del Journal of Biological Chemistry, publicado por la Sociedad Estadounidense de Bioquímica & Biología Molecular. Está entusiasmada con las oportunidades que se avecinan para la publicación científica en general y esta venerable revista en particular, y ahora dedica la mitad de su tiempo a liderar JBC hacia el futuro. Con gratitud. Una de las cosas más gratificantes de mi carrera es la gente. Es tan fantástico ver a mis antiguos alumnos, que dieron tanto durante su formación, tener éxito en la gestión de sus propios laboratorios. Esos son los momentos de mayor orgullo de mi carrera. También le da crédito a su esposo, John Pylant, a quien conoció cuando ambos tomaban lecciones de doma con el mismo instructor de equitación en Texas, por brindarle el apoyo personal que hace que la vida sea placentera y factible. La suerte favorece a la mente preparada. Me siento muy afortunado porque muchas veces estuve en el lugar correcto en el momento correcto y pude capitalizar eso. Puedes hacer que las cosas sucedan si mantienes una perspectiva positiva y viertes tu energía y convences a la gente con tu pasión.Grandes éxitos

• Uso de péptidos cíclicos como modelos, reglas identificadas para predecir conformaciones de motivos proteicos específicos (giros)
• Demostró la interacción biofísica de secuencias de señales de proteínas con la membrana lipídica celular durante la exportación de proteínas, lo que ayudó a establecer la técnica de usar péptidos para analizar interacciones funcionales entre proteínas
• Elucidación de regiones moleculares de chaperonas y cochaperones que interactúan entre sí para unirse selectivamente a sustratos proteicos desplegados
• Utilización de técnicas cinéticas para comprender las interacciones moleculares importantes para ensamblar una proteína que contiene cavidades

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• Descubrió cómo varias conformaciones de la chaperona molecular Hsp70 le permiten someterse a una unión modulada por nucleótidos a una variedad de sustratos diferentes

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