Исследование визуализировало точный механизм сортировки клеточного "мусора"

Десятилетиями в области исследования убиквитина оставался открытым вопрос о том, как белки помечаются как дефектные или ненужные. В недавнем исследовании Бренде Шульман, директору Института биохимии Макса Планка (MPI), и Гэри Клейгеру, заведующему кафедрой химии и биохимии Университета Невады в Лас-Вегасе, вместе с их командами впервые удалось визуализировать этот точный механизм, катализируемый E3-лигазами типа Cullin-RING (CRL). Результаты опубликованы в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

Каллин-Ринг-лигазы (CRL) — это сложные наномашины, имеющие решающее значение для сложных систем утилизации и переработки клетки. CRL помечают дефектные, токсичные или избыточные белки повторяющимися единицами небольшого белка под названием убиквитин, формируя цепь убиквитинов в процессе, называемом полиубиквитиновой меткой.

Таким образом CRL маркируют белок как "подлежащий деградации", предотвращая токсическое накопление ненужных белков. Сбои в этом процессе приводят к накоплению клеточного "мусора". Поэтому мутации или нарушения функций CRL часто связаны с заболеваниями, такими как нарушения развития или рак.

С помощью метода криогенной электронной микроскопии (cryo-EM) теперь можно визуализировать некоторые из мельчайших структур жизни, такие как CRL, что дает ключевое представление об их функциональных состояниях.

Открытие механизма

Эта работа стала решением загадки, над которой Бренда Шульман работала 23 года, с момента создания своей первой независимой исследовательской группы.

Их соавтор Гэри Клейгер показал, что CRL выбирает мишень для мечения, удерживает её на месте во время присоединения полиубиквитина, а затем высвобождает, чтобы пометить следующую мишень — весь процесс занимает миллисекунды. Именно эта высочайшая скорость объясняла, почему до сих пор не удавалось "сфотографировать" этот процесс.

Новый метод

Исследователи разработали химический инструмент-"ловушку": когда CRL начинает метить белок полиубиквитином, химическое соединение останавливает процесс в ключевой момент присоединения метки. Это позволило визуализировать комплекс с помощью cryo-EM.

Увидев, как все молекулярные компоненты собираются вместе, ученые обнаружили механизм полиубиквитинового мечения, катализируемый CRL. Затем группа Клейгера разработала новый анализ для проверки модели, который отслеживал эти реакции в миллисекундах — первая точка измерения составляла 1/400 долю секунды.

Ключевые наблюдения

  1. Раскрытие механизма реакции. Структурные "снимки" показали, как все молекулярные компоненты synergistically взаимодействуют для сверхбыстрого и специфичного катализа. Это решает вопрос, стоявший в этой области более 30 лет.
  2. Сравнение с предыдущими этапами. Новые данные сравнили с ранее опубликованной работой о том, как CRL выполняют более ранний этап мечения — присоединение первого убиквитина. Оказалось, что ключевые части молекулярной машины CRL кардинально перестраиваются между этими процессами.
  3. Универсальность механизма. Эти особенности наблюдались у всех исследованных CRL, мечащих белки полиубиквитиновыми метками, что позволяет предположить, что открытый механизм может быть общим для всего семейства CRL в наших клетках.

Значение и перспективы

  1. Прорыв в фундаментальной науке. Это большой шаг в области убиквитина, меняющий представление о повсеместной клеточной системе. Теперь известно, что все части машины для полиубиквитинового мечения должны собраться определенным образом для реакции с огромной скоростью и исключительной специфичностью.
  2. Влияние на разработку лекарств. Исследование имеет значение для развивающейся области targeted protein degradation (TPD, направленная деградация белков). Большинство подходов TPD используют малые молекулы для рекрутирования болезнетворных белков к CRL, что приводит к их мечению и уничтожению. Новые данные указывают на молекулярные и геометрические ограничения для использования CRL в TPD, что было показано на примере одной из пионерских молекул-деградаторов — MZ1.

Эти открытия могут помочь в разработке новых препаратов TPD и понимании того, как они работают в больных клетках.