Ученые определили структуру белка, раскрывающую секреты клеточных мембран
Ученые из Исследовательского института Скриппса и Национальных институтов здоровья (NIH) определили структуру белка, который отщепляет крошечные пузырьки от внешних мембран клеток. Клетки используют эти пузырьки, или везикулы, для транспорта питательных веществ, но многие лекарства также "путешествуют" внутри них.
Структура белка, называемого динамином, помогает ответить на давние вопросы о формировании везикул, углубляя понимание процесса, критически важного для выживания клетки. Результаты также могут иметь значение для разработки более эффективных методов доставки лекарств.
Исследование было опубликовано 28 апреля 2010 года в онлайн-выпуске престижного журнала Nature.
Загадка отщепления мембран
Клеточная мембрана обычно служит барьером, но клеткам необходимо поглощать некоторые вещества.
Для этого питательные вещества или гормоны, например, связываются со специфическими рецепторами на мембране. Затем мембрана образует вокруг них углубление, которое сжимается в пузырек (везикулу), отщепляется и доставляет груз внутрь клетки. Этот механизм, называемый эндоцитозом, также используют нервные клетки для поддержания межклеточной сигнализации.
"Эндоцитоз — это то, как клетки общаются. Он критически важен для многих биологических функций — от контроля кровяного давления до утилизации глюкозы", — говорит Сандра Шмид, соавтор статьи.
Несмотря на важность, механизм эндоцитоза оставался загадкой. Было известно, что ключевую роль в нём играет молекула динамина.
Динамин принадлежит к большому семейству ферментов GTPаз. Эти ферменты связывают химическое вещество GTP и превращают его в более простую форму (GDP), высвобождая энергию. Во время этого преобразования GTPаза меняет форму, что позволяет ей выполнять определённую функцию — например, формировать везикулы.
Ранее считалось, что множество молекул динамина собираются в длинные спирали на мембранах, которые в присутствии GTP сжимаются и отщепляют везикулу.
Однако год назад исследование группы Шмид в журнале Cell поставило эту модель под сомнение. Наблюдения под микроскопом показали, что белки динамина образуют лишь короткую "манжетку" вокруг мембраны. Более того, динамин может действовать в одиночку, без помощи других белков.
"Динамин — главный регулятор эндоцитоза. Он участвует на каждой стадии формирования везикулы", — говорит Шмид.
Структурное решение
Чтобы понять, как "манжетка" динамина отщепляет везикулы, учёные сосредоточились на его GTPазной активности. Ключом к разгадке стала структура белка.
Динамин — крупная молекула (почти 1000 аминокислот), что затрудняло его кристаллизацию для рентгеновской кристаллографии. Примерно три года назад аспирант Джошуа Чаппи создал укороченную версию динамина, сохранившую GTPазную активность.
С этим укороченным белком удалось получить кристаллы, но данные рентгеноструктурного анализа было невозможно интерпретировать из-за "двойного зрения" в сигналах. Прорывом стало открытие Чаппи: минимальный динамин в ходе своего нормального цикла гидролиза GTP образует димеры.
Известно, что в клетках динамин существует в виде группы из четырёх молекул — тетрамера. При сборке в короткие "манжетки" GTPазные домены соседних тетрамеров образуют функциональные димеры, необходимые для GTPазной активности и отщепления мембраны.
На основе определённой структуры учёные предполагают, что при связывании GTPазных доменов разных тетрамеров структура последних меняется, становясь менее стабильной. Превращение GTP в GDP вызывает дальнейшее изменение формы тетрамеров, возможно, за счёт скручивающего движения на мембране. В результате димеры диссоциируют, и вся "манжетка" разбирается.
Формирование везикулы, вероятно, включает повторяющиеся циклы:
- Сборка "манжетки"
- Связывание GTP
- Димеризация GTPазных доменов
- Превращение GTP в GDP
- Разборка "манжетки" динамина
Эти циклы в конечном итоге скручивают и отщепляют мембрану.
Кристаллическая структура также выявила три аминокислоты, абсолютно критичные для GTPазной активности динамина. Они консервативны среди всех GTPаз со схожими функциями, образуя "подпись" этой группы ферментов.
"Многие вопросы, на которые мы пытались ответить последнее десятилетие, нашли ответ в этой структуре", — говорит Шмид.
Теперь перед учёными стоят новые вопросы, которые и исследует команда Шмид.