Мощный новый метод позволяет изучать изменение формы белков внутри клеток

Понимание того, как белки изгибаются, скручиваются и меняют форму в процессе работы в клетках, крайне важно для изучения нормальной биологии и болезней. Однако глубокое понимание динамики белков долгое время было недоступно из-за отсутствия хороших методов визуализации белков в действии. Теперь учёные из UNC School of Medicine впервые создали метод, который может дать огромный толчок развитию этой области.

Новая техника "binder-tag" ("связывающий агент-метка"), описанная в статье в журнале Cell, позволяет исследователям точно определять и отслеживать белки, находящиеся в желаемой форме или "конформации", в реальном времени внутри живых клеток. Учёные продемонстрировали метод, по сути, в виде "фильмов", отслеживающих активную версию важного сигнального белка — молекулы, в данном случае важной для роста клеток.

"Никто не смог разработать метод, который делал бы то, что делает этот метод, таким универсальным способом. Поэтому я думаю, что он может оказать очень большое влияние", — сказал соавтор исследования Клаус Хан.

Работа стала результатом сотрудничества между лабораторией Хана и лабораторией эксперта по анализу изображений Тимоти Элстона.

Съёмка очень малого

Новый метод, как и все методы биологической визуализации, решает фундаментальную проблему: многие молекулы в живых клетках невозможно увидеть напрямую и точно с помощью обычного светового микроскопа. На масштабах работы белков свет распространяется огромными волнами, которые огибают объекты и не позволяют получить чёткое изображение.

Одним из подходов к этой проблеме, особенно когда белки нужно визуализировать в их естественной среде живой клетки, стало мечение целевых белков флуоресцентными "маячками". Это позволяет видеть и фиксировать свечение самих маячков с помощью микроскопии, например, для картирования мест работы определённого белка в клетке. Методика FRET (Förster resonant energy transfer), основанная на квантовых эффектах, внедряет пары таких маячков в целевые белки таким образом, что их свечение меняется при изменении конформации белка. Это позволяет в некоторой степени изучать динамику белков при изменении их формы внутри клеток. Однако у FRET и других существующих методов есть ограничения, такие как слабый флуоресцентный сигнал, которые сильно снижают их полезность.

Новый метод "binder-tag" начинается с вставки крошечной молекулярной "метки" в изучаемый белок и использования отдельной молекулы, которая связывается с меткой только тогда, когда содержащий её белок принимает определённую форму или конформацию (например, когда белок активен для выполнения клеткой конкретной функции). Размещение подходящих флуоресцентных маячков в связывающем агенте и/или молекуле метки позволяет исследователю визуализировать с течением времени точное местоположение меченых белков, находящихся в интересующей конформации.

Метод совместим с широким спектром маячков, включая гораздо более эффективные, чем взаимодействующие пары маячков, необходимые для обычного FRET. Более того, "binder-tag" можно использовать для более лёгкого создания FRET-сенсоров. Кроме того, молекулы для метода были выбраны так, чтобы ничто в клетках не могло вступить с ними в реакцию и помешать их визуализирующей роли.

В результате получилась надёжная методика, которая в принципе может применяться для широкого спектра ранее недоступных исследований динамики белков, включая изучение белков, присутствующих в клетках в небольших количествах.

В статье в Cell Хан и коллеги описывают несколько демонстрационных экспериментов, подтверждающих принцип работы. Они использовали новый метод для визуализации важного сигнального белка роста Src, чтобы с беспрецедентной детализацией показать, как он формирует крошечные островки активности. Это, в свою очередь, позволило исследователям проанализировать факторы, влияющие на биологические роли этого белка.

"С помощью этого метода мы можем видеть, например, как различия в микроокружении в разных частях клетки часто сильно влияют на то, что делает белок", — сказал Хан.

Сейчас исследователи используют эту технику для картирования динамики других важных белков. Они также проводят дальнейшие демонстрации, чтобы показать, как "binder-tag" можно адаптировать для изучения динамики самых разных белковых структур и функций, а не только белков, работающих подобно Src.

Учёные предполагают, что "binder-tag" в конечном итоге станет базовой технологией для изучения нормальных белков, более крупных многомолекулярных структур в клетках и даже дисфункциональных белков, связанных с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера.

"При многих заболеваниях, связанных с белками, учёные не могли понять, почему белки начинают работать неправильно. Инструментов для получения этого понимания просто не было", — отметил Хан.