Решена многолетняя загадка структуры белка, запускающего образование липидных капель
В клетках человека почти всегда запасается жир. Однако пациенты с редким заболеванием — врождённой липодистрофией, часто диагностируемой в детстве, — не могут правильно запасать жир. Он накапливается в органах, повышая риск ранней смерти от болезней сердца или печени. В 2001 году был идентифицирован трансмембранный белок сеипин как молекула, необходимая для правильного запасания жира, хотя его механизм действия оставался неизвестным.
Международное исследование, опубликованное в Nature Structural & Molecular Biology, впервые решило и смоделировало практически всю структуру сеипина. Оно показало, что он существует в двух конформациях, и указало на механизм «рождения» липидных капель (ЛК), используемых для запасания жира в здоровых клетках.
«Липидные капли были описаны с момента изобретения микроскопов, позволяющих видеть внутренность клеток. Около века было известно, что они запасают липиды, или жиры, но их считали неактивными. За последние 20 лет липидные капли оказались очень динамичными», — сказал Джоэл М. Гудман, доктор философии, профессор фармакологии в UT Southwestern, один из трёх авторов-корреспондентов исследования.
Доктор Гудман сыграл ключевую роль в изучении биологии сеипина, обнаружив в 2007 году, что сеипин отвечает за упаковку жира в ЛК, и что тот же механизм работает у животных, растений и грибов. В 2010 году лаборатория Гудмана первой очистила сеипин и сообщила, что он состоит примерно из девяти идентичных субъединиц, напоминающих пончик.
С тех пор учёные по всему миру пытались решить его структуру, что оказалось очень сложно, поскольку сеипин пронизывает мембрану эндоплазматического ретикулума (ЭР). Это трансмембранное расположение делало комплекс устойчивым к рентгеноструктурному анализу — долгое время золотому стандарту таких исследований. Мембранные белки печально известны сложностью кристаллизации, необходимой для этой техники.
Чтобы решить проблему, доктор Гудман обратился к криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ) после обсуждений с клеточным биологом из Бостона Тобиасом К. Уолтером, доктором философии, на научной конференции. Доктор Уолтер, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, и его коллега Роберт В. Фарес-младший, доктор медицины, являются другими авторами-корреспондентами исследования. Работа использовала крио-ЭМ-оборудование Гарварда.
Крио-ЭМ использует мгновенно замороженные образцы, пучки электронов и электронный детектор для сбора данных о биологических структурах с почти атомарным разрешением. Использование крио-ЭМ позволило исследователям определить, что гипотетический «пончик» на самом деле представляет собой клетку из 10 субъединиц — своего рода инкубатор для создания и роста липидных капель.
Вторая конформация показала, как сеипин открывается, чтобы высвободить липидную каплю на поверхность эндоплазматического ретикулума. Оказавшись на поверхности, ЛК обращены к внутренней среде клетки (цитоплазме), где проходящие ферменты могут расщеплять ЛК и высвобождать жирные кислоты для получения энергии, например, во время голодания.
«Получить две конформации было удивительно, совершенно неожиданно», — сказал доктор Гудман. Ранее другим исследовательским группам удалось получить частичное решение, показывающее нижний слой комплекса сеипина внутри трубчатого ЭР. Две конформации в текущем исследовании решают неуловимую верхнюю часть структуры, которая простирается через мембрану органеллы.
«Крио-ЭМ сделала это возможным. Мы надеемся, что эта структура позволит связать роль сеипина в создании липидных капель с тем, что идёт не так при липодистрофии, а также поможет лучше понять формирование липидных капель в целом», — добавил он. — «Вероятно, в создании липидных капель участвуют ещё несколько белков, но сеипин, по-видимому, является основным. Он похож на машину, генерирующую липидные капли».