Как клетки выносят мусор — расшифрована роль фосфоаргинина
Клетки никогда не забывают выносить мусор. Давно известно, что клетки помечают белки для деградации, метя их убиквитином — сигналом, который называют «молекулярным поцелуем смерти». Группа Тима Клаузена из Института молекулярной патологии (IMP) в Вене обнаружила аналогичную систему у грамположительных бактерий, где роль метки для деградации выполняет малоизвестная посттрансляционная модификация: фосфорилирование аргинина. Открытие, опубликованное в журнале Nature, открывает новые пути для разработки антибактериальной терапии.
Видимое стабильное состояние клеток скрывает постоянное производство и удаление белков. Хотя исследования деградации белков отставали от изучения их синтеза, теперь хорошо известно, что для белков смерть так же важна, как и рождение, и так же строго регулируется. Каждый белок удаляется в нужный момент, а особое внимание уделяется уничтожению поврежденных или более не нужных в конкретном контексте.
Процесс деградации, заключающийся в разрезании белка-субстрата на мелкие фрагменты, происходит внутри компартментализованных протеаз — специализированных молекулярных машин, часто сравниваемых с шредерами. Если доступ к протеазе зависит от специфической метки на субстрате (как в эукариотической убиквитин-зависимой системе), то ключевое решение — кого и когда устранить — сводится к своевременному и избирательному присоединению меток. Этот механизм элегантен, но ученые, работающие с бактериями, были озадачены, обнаружив его лишь у одной конкретной ветви их организмов. Текущее исследование меняет картину.
Лаборатория Тима Клаузена несколько лет назад случайно наткнулась на фосфоаргинин, изучая, как некоторые бактерии справляются с неблагоприятными условиями. Белок McsB, участвующий в этом процессе, оказался способен фосфорилировать другие белки по остаткам аргинина. Хотя регуляция белков путем обратимого добавления фосфорильных групп стала основой биохимии с 1950-х годов (работы Эдвина Кребса и Эдмонда Фишера, удостоенных Нобелевской премии), впервые это было наблюдено для аргинина. Последующие исследования выявили сотни модифицированных белков у модельного организма Bacillus subtilis. Хотя модификация регулировалась в ответ на условия среды, ее функция оставалась неясной.
«Было несколько причин, по которым мы думали, что фосфоаргинин может быть "бактериальным убиквитином"», — говорит Тим Клаузен, для которого деградация белков давно является областью пристального внимания. Было известно, что McsB ко-регулируется на транскрипционном уровне с основной протеазой бактерии B. subtilis — ClpCP, и однажды был предложен в качестве ее «адаптера», доставляющего специфический субстрат. Тим предположил, что он может работать скорее как «маркировщик», помечая множество различных белков «фосфо-поцелуем смерти». В серии сложных экспериментов его группа доказала, что гипотеза верна.
«Я поняла, что мы на правильном пути, когда фосфоаргинин показал сильное сродство к связыванию с ClpCP», — говорит Дебора Брош Трентини, постдок в лаборатории Клаузена и первый автор статьи в Nature. Именно это взаимодействие, добавляет она, обеспечивает специфичность: белки, помеченные фосфоаргинином, напрямую захватываются протеазой ClpCP и измельчаются в куски.
Поскольку обнаруженная система широко консервативна среди грамположительных бактерий (к этому большому классу относится и печально известный патоген человека Staphylococcus aureus), исследование объясняет предыдущие отчеты, идентифицировавшие McsB и ClpC как факторы вирулентности. Чтобы заразить, бактерии должны преодолевать стрессы внутри хозяина, что, в свою очередь, зависит от эффективной деградации поврежденных стрессом белков. Таким образом, открытие лаборатории Тима открывает новую перспективу в борьбе с бактериальными заболеваниями.
«Мы определили механизм. Следующий шаг — заблокировать его», — заключает Тим Клаузен.