Расположение в мембране наделяет протеазы новыми способностями
Ученые из Университета Джонса Хопкинса обнаружили новый механизм действия ферментов, погруженных в клеточные мембраны. Их эксперименты показывают, что вместо распознавания и разрезания белков на основе последовательностей аминокислот, расположение этих протеаз внутри мембран дает им уникальную способность распознавать и разрезать белки с нестабильной структурой.
В отчете, опубликованном 13 ноября в новом журнале eLife, ученые отмечают, что их результаты впервые проливают свет на то, как эти ферменты используют свою естественную среду для функционирования. Изученные ими «клеточные ножницы», известные как ромбовидные протеазы, необычны среди протеаз, поскольку разрезают свои белки-мишени изнутри клеточных мембран. Поскольку эти и другие мембранные протеазы играют роль во всем — от малярии до болезни Паркинсона, — понимание их работы может иметь серьезные последствия для здоровья человека.
«Эволюция этих протеаз, которые встречаются у всех типов живых организмов, дала клеткам совершенно новый набор инструментов для регуляции биологических процессов», — говорит руководитель исследования Синиша Урбан, доктор философии.
Протеазы разрезают белки по разным причинам. В желудке они работают неспецифично, расщепляя белки пищи. Другие протеазы более специализированы и, например, помогают регулировать иммунную систему. Каждая из них распознает только определенные белки-«клиенты» и разрезает их только в одном конкретном месте.
«До нашей работы считалось, что специализированные протеазы решают, какие белки резать, основываясь на наличии или отсутствии определенной последовательности аминокислот, которую они распознают», — говорит Урбан. — «Но в то время как большинство протеаз работают в водной среде, ромбовидные протеазы работают в маслянистых мембранах. Их уникальная среда навела нас на мысль, что они могут обладать и уникальными свойствами внутри клетки».
Ромбовидные протеазы похожи на бочки с воротами, которые пропускают внутрь только определенные белки. Попав внутрь, белки взаимодействуют с «ножницами» и разрезаются.
Роль мембраны в точности фермента
Для своего исследования команда Урбана проанализировала активность ромбовидных протеаз в микроскопических гелеобразных каплях (традиционно используемых как заменители мембран) и в реальных клеточных мембранах. Они обнаружили, что в геле протеазы пропускают через свои «ворота» больше белков и разрезают их в других местах, чем в мембране.
«Это говорит о том, что эти протеазы менее точно распознают, какие белки резать, в искусственной среде, чем в естественной», — говорит Урбан. — «Мембрана явно помогает удерживать ворота от распахивания и не дает резаться неестественным сайтам».
Ключевой фактор — нестабильность белка
Затем исследователи взяли серию различных белков, меняя их строение, чтобы увидеть, какие из них ромбовидные протеазы могут разрезать в живых клетках. Проанализировав десятки изменений, они обнаружили, что конкретные последовательности аминокислот не были главным фактором, определяющим, какие белки будут разрезаны. Вместо этого ключевым фактором была нестабильность белка-мишени в водной среде.
Урбан объясняет: когда белок содержит сегмент, пересекающий вязкую, маслянистую клеточную мембрану, этот сегмент принимает форму спирали (как пружина-«слинки»), даже если вне мембраны, в водной среде, он бесформенный.
«Ромбовидные протеазы имеют водные внутренние камеры. Если спиралевидная форма распадается внутри, белок разрезается. Если спиралевидная форма остается неповрежденной, он не разрезается».
Это открытие, по словам Урбана, открывает возможности для лучшего понимания нескольких заболеваний и, в конечном итоге, для разработки методов лечения. Например, белок, который накапливается в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера, является мишенью для другого типа резидентной в мембране протеазы, которая также плохо изучена.