Белки клеточной мембраны раскрывают свои секреты
Учёные из Университета Райса научились анализировать сворачивание трансмембранных белков так же, как они изучают их свободно плавающих, глобулярных «кузенов».
Теоретический биолог Питер Уолинз и его команда из Центра теоретической биологической физики (CTBP) применили его теорию энергетического ландшафта к белкам, которые трудно изучать, поскольку они живут и работают в основном внутри клеточных мембран.
Этот метод должен повысить ценность техники для исследователей, изучающих белки, связанные с заболеваниями, и, возможно, для создания лекарств для их лечения.
Исследование появилось на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences. Ведущий автор Бобби Ким, аспирант, и соавтор Николас Шафер, научный сотрудник постдок, являются членами лаборатории Уолинза в Райсе.
Мембранные белки критически важны для таких функций, как фотосинтез и зрение, среди многих других. Они также могут служить привратниками клетки, решая, что может пройти через мембрану, а также её воротами, помогая транспортировать питательные вещества снаружи и отходы изнутри. Из-за этих множественных ролей они составляют большой процент мишеней для лекарств.
Хотя их функция ясна, информация о том, как они сворачиваются, сильно отстаёт от доступной для глобулярных белков, сказал Уолинз. «Это странно, потому что мембранные белки составляют около 30% генома».
Уолинз и его коллеги используют сырую геномную информацию, чтобы предсказать, как цепочки аминокислот сворачиваются в функциональные белки, следуя путям наименьшего сопротивления (также известным как принцип минимального разочарования), диктуемым энергией, связанной с каждой «бусиной» в цепочке. Чем ближе белок подходит к своему функциональному «нативному» состоянию, тем более стабильным он становится. Пионерская теория Уолинза графически представляет эту энергию как воронку.
Исследователи проверяют свои компьютерные модели, сравнивая их со структурами реальных белков, полученными с помощью рентгеновской кристаллографии. Для глобулярных белков, которые плавают в организме, выполняя задачи, необходимые для жизни, доступно множество структур.
Но до недавнего времени аналогичные структуры для трансмембранных белков было трудно получить из-за сложности их выделения для визуализации без разрушения. Недавние достижения используют детергент, чтобы смыть большую часть мембраны с интересующего белка, сказал Уолинз. «Он оставляет жировой слой вокруг белка, но тем не менее даёт своего рода покрытие, которое позволяет всей молекуле впоследствии сформировать кристаллическую решётку».
Уолинз был вдохновлён на изучение мембранных белков, когда заметил, что два широко используемых учебника по клеточной биологии полностью расходятся во мнениях о том, как они сворачиваются.
«В одном из них, после перечисления всех правил, говорилось: "Это свидетельствует о том, что процесс контролируется кинетически". В другом говорилось: "Это свидетельствует о том, что он контролируется равновесием". Они написаны в той манере вводных учебников, где всё, о чём они рассказывают, преподносится как абсолютная истина. И они были в прямом противоречии».
«Я бы сказал, что я всё ещё не уверен, но я думаю, что наша работа указывает гораздо больше в сторону того, что сворачивание контролируется термодинамически (равновесием), по крайней мере, после того, как белок закреплён в мембране».
Ким и Шафер модифицировали алгоритм предсказания укладки белка, используемый лабораторией Уолинза, под названием AWSEM (Associative Memory, Water-Mediated, Structure and Energy Model), чтобы учесть внешние влияния, уникальные для мембранных белков, включая механизм транслокона, который вставляет частично свёрнутые белки в мембрану, и саму мембрану.
С помощью алгоритма они успешно определили, что термодинамические воронки, по-видимому, по-прежнему играют главную роль в сворачивании белков внутри мембраны, как и в случае с глобулярными белками.
«У нас была база данных структур мембранных белков из многих разных лабораторий, и мы смогли изучить параметры, которые были переносимы между ними», — сказал Ким. «Эти параметры определяют, насколько сильно должны взаимодействовать два остатка ("бусины"), и учитывают окружающую среду. Это позволило нам делать прогнозы на основе сырых последовательностей».
Исследователи ожидают, что смогут доработать алгоритм AWSEM-membrane по мере появления новых структур. «Я не думаю, что мы закончили изучать мембранные взаимодействия», — сказал Уолинз, предположив, что большая часть направленного сворачивания происходит после того, как белок попадает в мембрану, и очень малое его часть связана с гидрофобными (кинетическими) взаимодействиями, которые играют несколько большую роль в сворачивании глобулярных белков. «У меня есть предчувствие, что это окажется верным».
«Значимость статьи в том, что теперь у нас есть алгоритм для довольно точного предсказания структуры мембранного белка на основе сырой геномной последовательности», — сказал Уолинз. «Это будет очень полезно для интерпретации нового поколения экспериментов».