Новое понимание внутренне неупорядоченных белков и их изменений формы в клетке
Ученые из RMIT, ANSTO и CSIRO опубликовали новаторское исследование, раскрывающее новые данные о внутренне неупорядоченных белках и белковых регионах (IDPs/IDRs) и их поведении в различных физиологических процессах.
IDPs выполняют ряд важных биологических задач и играют ключевую роль в таких функциях, как метаболизм, клеточная сигнализация, инфекции, болезни, восстановление тканей и доставка лекарств. Их особенность в том, что, в отличие от других функциональных белков, у них нет стабильной трёхмерной структуры; один и тот же белок может перестраиваться разными путями и адаптироваться для взаимодействий с разными последствиями.
Лучший пример IDPs/IDRs — это спайк-белок в оболочке вируса COVID-19: его адаптивность позволяет ему прикрепляться к клетке для проникновения вируса и уклоняться от иммунного ответа.
Ведущий исследователь, профессор Наба Датта (RMIT), заявил, что исследование, опубликованное в Science Advances, предоставляет ранее неизвестные экспериментальные доказательства и теоретическую основу для прогнозирования того, как эти белки, лишенные определенной 3D-структуры, меняют форму в сложной, "переполненной" среде клетки.
«Они способны очень быстро трансформироваться из одной формы в другую в ответ на локальную среду. Это делает их анализ с помощью обычных методов очень сложным», — пояснил профессор Датта, который занимается исследованиями IDPs в белковых композитных материалах более пятнадцати лет.
Профессор Датта и команда провели ряд высокотехнологичных экспериментов и доказали, что Rec1-резилин — исключительно эластичный белок, который группа часто использует для создания прочных биомедицинских материалов, — на самом деле является IDP с уникальными характеристиками.
Например, белок резилин позволяет насекомым, таким как блохи, прыгать в сотни раз выше собственного роста за микросекунды. Группа детально описала структуру, взаимодействие и эволюцию этого белка в сложной, "переполненной" среде.
Rec1-резилин реагирует на множество стимулов и изменения в окружающей среде, такие как температура, pH, наличие ионов и других веществ, что делает его ценным материалом для создания адаптивных биоматериалов.
«Это качество позволяет потенциально "настраивать" его для выполнения конкретных задач, таких как восстановление тканей или терапевтическая доставка лекарств в средах с очень разными химическими условиями», — объяснил профессор Датта.
«Характеристика изолированного белка в идеальных условиях не даст нужной информации, потому что это не та среда, где он обычно функционирует», — добавил он.
Хотя в исследовании использовались различные методы, именно дейтерирование в Национальном центре дейтерирования (NDF) и рассеяние нейтронов на сверхмалых и малых углах (USANS и SANS) в Австралийском центре нейтронного рассеяния (ACNS) были решающими для идентификации IDP и его метаморфозы в "супе" молекул, типичном для клеточной среды.
Сегмент Rec1-резилина был произведен исследователями CSIRO. Дейтерированный белок был биосинтезирован в NDF (ANSTO) командами RMIT и ANSTO, а затем использован для экспериментов SANS и USANS на ACNS (ANSTO). Экспериментальное определение форм ансамблей IDPs и их метаморфозы в различных условиях "скученности" раскрывает связь между их последовательностями и функциями.
Потребовалось время, чтобы успешно дейтерировать белок (заменить водород на дейтерий), так как это нетривиальная задача.
«Это стало возможным только благодаря использованию Национального центра дейтерирования ANSTO, где нам помогла д-р Агата Рекас. Насколько нам известно, это было сделано впервые с этим белком», — сказал профессор Датта.
USANS проводился на инструменте Kookaburra, а данные SANS — на инструменте Quokka.
Проведя серию экспериментов по контрастному согласованию с дейтерированными белками (что позволяет "скрыть" один компонент и изучить другой), группа исследовала влияние "скученности" на форму, размер, стабильность, структуру и метаморфозу IDP.
«Мы впервые заинтересовались этими белками, работая над материалами для биомедицинских применений, такими как гидрогели на основе шелка и резилина», — сказал старший научный сотрудник д-р Джитендра Мата, эксперт по малоугловому рассеянию в ANSTO.
«Шелк очень прочный, а резилин очень эластичный, поэтому при их смешивании получается материал с исключительными свойствами для восстановления тканей. Разрабатывая эти материалы, мы поняли, что плохо понимаем, как эти белки функционируют на фундаментальном уровне, особенно в "переполненной" среде. Эти знания необходимы для разработки биомедицинских материалов», — добавил он.
Профессор Датта отметил значительный вклад д-ра Маты в работу и продуктивное сотрудничество с 2014 года. Группа широко использовала передовые методы ANSTO для расширения знаний в этой области.
Для поддержки экспериментальных исследований было проведено теоретическое моделирование под руководством CSIRO, чтобы разработать основу для прогнозирования 3D-структуры резилина в присутствии пяти различных агентов "скученности" в различных концентрациях.
Агентами "скученности" в экспериментах были: глюкоза (GLU), глутатион (GSH), кодирующий белок ген полиэтиленгликоль (PEG3), полимеры декстран (DEX70) и фиколл (FIC70).
До настоящего времени было очень мало исследований влияния макромолекулярной "скученности" на динамические формы ансамблей IDP, их стабильность и трансформацию.
Команда RMIT также провела всесторонние спектроскопические исследования взаимодействий, динамических изменений и структурной эволюции резилина в условиях высокой "скученности" в качестве подтверждающих доказательств.
После долгой работы над сложными проблемами взаимосвязи структуры и функции IDPs/IDRs без гарантий успеха, профессор Датта и команда теперь надеются увидеть, как разработанные фундаментальные знания будут использованы на следующем уровне.