Структура ключевых белков ремонта мембраны раскрыта с помощью крио-ЭМ
Исследователи из Гёттингенского кластера передовых исследований Multiscale Bioimaging (MBExC) определили 3D-структуру мембранных белков миоферилина и дисферилина с помощью высокоразрешающей крио-электронной микроскопии.
Эти открытия открывают новые подходы к разработке таргетных препаратов для лечения таких заболеваний, как мышечная атрофия, нарушения слуха и некоторые виды рака. Результаты опубликованы в The EMBO Journal.
Клеточная мембрана — это гибкий защитный слой, окружающий наши клетки. Как она защищается от повреждений и какие механизмы ремонта участвуют в её восстановлении, до сих пор не было детально изучено.
Исследователям из Института слуховой нейронауки Университетского медицинского центра Гёттингена (UMG) и кластера MBExC в сотрудничестве с Институтом мультидисциплинарных наук им. Макса Планка удалось впервые определить высокоразрешающую трёхмерную структуру мембранных белков миоферилина и дисферилина.
Эти белки принадлежат к семейству "ферилинов" и играют центральную роль в ремонте клеточных мембран — процессе, критически важном для функции мышц, здоровья сердца и даже развития рака.
Одно кольцо, чтобы связать их всех
Используя современную крио-электронную микроскопию, команда смогла расшифровать структуру. Для этого мембранные белки были шоково-заморожены в растворе и исследованы под электронным микроскопом при температуре минус 193 градуса Цельсия.
Исследователи сделали тысячи отдельных изображений молекул, а затем с помощью высокопроизводительных компьютеров вычислили 3D-структуру почти с атомарным разрешением.
На изображениях видно, как ферилины в присутствии кальция и липидных мембран принимают компактную кольцевидную структуру. Это структурное изменение — ключ к тому, как ферилины влияют на ремоделирование мембран, например, на сближение, стыковку и даже слияние мембран.
Такие процессы необходимы для ремонта повреждённых клеточных оболочек или для направленного высвобождения мембранных везикул, обеспечивающих транспорт веществ через мембрану.
"Мы наконец-то видим, как на самом деле устроены ферилины — это как переход от размытого наброска к чёткому портрету", — говорит профессор д-р Тобиас Мозер, директор Института слуховой нейронауки UMG и спикер MBExC.
Большой потенциал для целенаправленного лечения
Результаты дают важную основу для генетической диагностики: многие связанные с болезнями точечные мутации в геноме лишь незначительно меняют структуру ферилина, но с серьёзными последствиями.
"Теперь мы можем точно определить, где эти мутации оказывают влияние — и какие конкретные эффекты они имеют", — объясняет д-р Константин Крецу, руководитель исследовательской группы "Динамика и структура ферилинов" в Институте слуховой нейронауки UMG.
Это открытие также имеет большой потенциал для разработки современных методов терапии. Новые знания о структуре позволяют целенаправленно конструировать функциональные мини-ферилины. Эти компактные белковые модули помещаются в вирусные векторы, которые служат транспортными средствами, прокладывая путь новым методам лечения мышечной атрофии или нарушений слуха.
"Это молекулярная биология с инженерными навыками", — добавляет д-р Юлия Преобращенски, руководитель рабочей группы "Биохимия динамики мембран" в Институте слуховой нейронауки UMG. "Мы не просто изучаем белки — мы также думаем о том, как мы можем их ремонтировать".
Значение открытий выходит за рамки редких заболеваний: миоферилин производится в повышенных количествах при различных типах опухолей, где помогает раковым клеткам расти и распространяться.
Впервые новая структура даёт отправные точки для разработки таргетных препаратов, например, малых молекул, ингибирующих специфические функции ферилинов.