Гибкость — это функция: как неструктурированные сегменты белка регулируют биологические процессы

Исследователи выяснили, как неструктурированные участки поверхностных белков регулируют биологические функции клетки. Их исследование, опубликованное в Nature Communications, проливает новый свет на взаимодействие между G-белок-сопряжёнными рецепторами (GPCR), расположенными в мембранах почти всех клеток организма, активирующими их мессенджерами и сигнальными процессами внутри клетки-мишени. Это взаимодействие играет ключевую роль в разработке лекарств.

Работа выполнена совместной командой из Коллаборативного исследовательского центра (CRC) 1423 «Структурная динамика активации и сигналинга GPCR» Лейпцигского университета и Университета Мартина Лютера Галле-Виттенберг.

G-белок-сопряжённые рецепторы играют ключевую роль во многих биологических процессах и критически важны для эффективности лекарств, например, для лечения высокого кровяного давления, боли, аллергии или снижения веса. Несмотря на интенсивные исследования, многие вопросы о функционировании этих рецепторов остаются без ответа.

Изученные в работе Y₂-рецепторы активируются пептидным гормоном нейропептидом Y (NPY), который влияет на различные процессы в мозге — такие как реакция на стресс и циркадный ритм, но прежде всего на передачу сигналов насыщения.

Исследователи CRC 1423 изучили роль гибкого N-концевого сегмента Y₂-рецептора при связывании мессенджера NPY с рецептором и запуске реакции в клетке. Они обнаружили, что это особенно влияет на клеточный партнёрский белок аррестин-3 — ключевой игрок, определяющий, как клетка реагирует на данный сигнал.

Как и многие GPCR, Y₂-рецептор имеет высокогибкий, неструктурированный N-концевой регион, функция которого плохо изучена. «Особенность этой части рецептора в том, что она является так называемым внутренне неупорядоченным регионом. Она не складывается в стабильные структуры, а постоянно меняет свою форму. Это происходит так быстро, что экспериментально трудно зафиксировать отдельные состояния и, таким образом, присвоить им конкретные функции», — объясняют ведущие авторы исследования д-р Анете Кайзер из Лейпцигского университета и профессор Андреа Зинц из Университета Мартина Лютера Галле-Виттенберг.

Для исследования этих сложных механизмов объединились несколько исследовательских групп в рамках CRC 1423. Используя технику, разработанную специально для этого рецептора — комбинацию светоиндуцированного сшивания и высокочувствительной масс-спектрометрии, — команда под руководством профессора Андреа Зинц смогла точно определить места взаимодействия между Y₂-рецептором и NPY.

Стало ясно, что неструктурированный N-концевой регион рецептора вступает в прямой контакт с мессенджером NPY. Это открытие послужило отправной точкой для обширных мутационных исследований рецептора для изучения функции отдельных регионов.

«Мы увидели, что короткие регионы с высокой плотностью отрицательного заряда важны для обеспечения стабильного, длительного связывания пептидного гормона с рецептором. Интересно, что некоторые опосредованные рецептором клеточные ответы остаются полностью intact, даже когда контакты в N-конце теряются. Однако взаимодействие с партнёрским белком аррестином-3 снижается из-за кратковременных связываний, что изменяет баланс клеточного ответа», — говорит д-р Кайзер.

Эти наблюдения были подтверждены и уточнены исследовательскими группами профессоров Йенса Майлера и Петера Хильдебранда с помощью компьютерного структурного моделирования и моделирования молекулярной динамики. «Наше понимание функционального значения гибких регионов в сигналинге всё ещё находится на очень ранней стадии. Это делает ещё более захватывающим исследование того, можно ли применить наблюдаемые здесь принципы к другим рецепторам», — говорит профессор Хильдебранд с медицинского факультета Лейпцигского университета.

Рабочие группы совместно исследуют эту область уже более четырёх лет, и новые выводы основаны на обширной предварительной работе. Это делает данную совместную публикацию особенно ценной.

«Хотя до сих пор нет одобренных лекарств, действующих специфически через Y₂-рецепторы, эти находки предоставляют дополнительные строительные блоки для ещё лучшего понимания механизма действия в будущем и потенциального выявления новых мишеней для лекарств», — добавляет профессор Аннетте Бек-Зикингер, соавтор и спикер CRC 1423.