Рентгеновское исследование раскрывает разделение труда в белке, важном для здоровья клетки
Исследователи, работавшие в том числе в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, обнаружили, что ключевой для здоровья клетки белок TH (трансгидрогеназа), недавно связанный с диабетом, раком и другими заболеваниями, может выполнять несколько задач благодаря разделению труда между двумя идентичными частями.
Фермент TH имеет решающее значение для большинства форм жизни. У людей и других высших организмов он работает внутри митохондрий — крошечных «реакторов» с двойной мембраной внутри клеток, которые помогают обеспечивать энергией большинство клеточных процессов.
«Несмотря на свою важность, TH был одним из наименее изученных митохондриальных ферментов», — сказал К. Дэвид Стаут из Исследовательского института Скриппса, чья группа возглавила исследование, опубликованное 9 января в Science.
Два ключевых процесса
Когда митохондрия «сжигает» кислород, она выкачивает протоны из своего внутреннего компартмента (матрикса). Часть белка TH пронизывает мембрану, окружающую матрикс, и обеспечивает поштучный поток протонов обратно через мембрану. Этот приток протонов, в свою очередь, связан с производством NADPH — соединения, критически важного для нейтрализации вредных для клеток кислородных радикалов.
Долгое время точное понимание механизма работы TH было неуловимым. Фермент имеет исключительно гибкую структуру, что затрудняет его изучение с помощью стандартного метода — рентгеновской кристаллографии.
«Ключевые детали, которых нам не хватало, включали структуру трансмембранной части TH и способ сборки частей в целый фермент», — сказала Джозефин Х. Леунг, аспирант лаборатории Стаута и ведущий автор нового исследования.
Впервые команде удалось определить точные детали трансмембранной части, используя рентгеновские лучи от источника синхротронного излучения SSRL в SLAC и усовершенствованного источника фотонов APS в Аргоннской национальной лаборатории. Вместе с данными рентгеновской кристаллографии и электронной микроскопии всего белка это исследование дало важные ключи к пониманию работы TH.
Переключение функций
Анализ показал, что две идентичные копии TH связаны вместе, образуя димер. Одна копия, по-видимому, участвует в транспорте протонов, а другая — в производстве NADPH.
«Наше новое исследование помогает прояснить некоторые загадки — оно предполагает, как структура фермента может использовать протоны, и указывает на то, что его две стороны способны чередовать функции, всегда оставаясь в балансе», — сказал Стаут.
К трансмембранной структуре TH, внутри митохондриального матрикса, прикреплена структура «домена III», которая связывает молекулу-предшественник NADPH во время его синтеза. Ранее было неясно, как две такие структуры могут работать бок о бок в димере TH, не мешая активности друг друга.
Новые данные показывают, что эти соседние структуры очень гибкие и всегда имеют разную ориентацию.
«Наше самое поразительное открытие заключалось в том, что две структуры домена III не симметричны — одна из них обращена вверх, а другая — вниз», — сказала Леунг.
В частности, одна из структур, по-видимому, ориентирована для катализа производства NADPH, а другая повернута к мембране, возможно, для облегчения транзита протона. Новая структурная модель указывает, что с каждым прохождением протона две структуры домена III переворачиваются и меняются функциями. «Мы подозреваем, что именно прохождение протона каким-то образом вызывает это переворачивание структур домена III», — сказала Леунг.
Однако предстоит еще много работы, чтобы определить точную структуру и механизм TH. Например, новые структурные данные свидетельствуют о вероятном протонном канале в трансмембранной области TH, но показывают только его закрытую конформацию. «Мы подозреваем, что этот канал может иметь другую, открытую конформацию, которая позволяет протону пройти. Это одна из деталей, которые мы хотим изучить дальше», — сказала Леунг.