Обнаружено новое состояние в процессе сворачивания белка

Учёные обнаружили новое, промежуточное состояние в процессе сворачивания белка, показав, что оно может происходить в два этапа: быстрый и последующий, гораздо более медленный. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

После того как белок — цепочка из до 20 различных молекул аминокислот — создаётся в клетке, он спонтанно сворачивается из случайной структуры в упорядоченную трёхмерную, которая делает его биологически полезным. (Неправильное сворачивание может привести к таким заболеваниям, как боковой амиотрофический склероз, БАС.)

Для более простых белков это обычно происходит очень быстро, примерно за 0,01 миллисекунды (мс), в почти завершённую форму. В этом исследовании было обнаружено, что после первого шага возникает второе, более медленное состояние длительностью 3–10 мс, которое может быть в тысячу раз дольше первоначального сворачивания, из-за небольших перестроек боковых цепей белка. (Для сравнения, моргание человеческого глаза длится от 100 до 400 мс.)

Учёные научились предсказывать с помощью машинного обучения, в какую конфигурацию свернётся белок. Но до сих пор плохо понятно, почему достигается каждая конкретная структура, разная для каждого белка, и как это происходит, когда различные аминокислоты химически взаимодействуют друг с другом.

Предыдущие методы анализа, такие как оптическая спектроскопия (измеряющая разницу в поглощении лево- и право-поляризованного по кругу света), изучали, как белки вытесняют воду из себя, скручиваясь в свёрнутое состояние. Однако такие оптические измерения не фиксируют окончательное, долгосрочное сворачивание, обнаруженное здесь.

Исследователи из Национального института диабета, болезней органов пищеварения и почек (NIDDK) Национального института здоровья США под руководством Роберта Тайко, исполняющего обязанности главы его Лаборатории химической физики, решили поискать такие долгосрочные изменения.

Они выбрали белок HP35, известный своей простотой и быстрым сворачиванием, состоящий из 35 аминокислотных остатков. (Остатки — результат связи между двумя молекулами аминокислот, образующих пептид, что удаляет воду. Эти остатки влияют на другие остатки и химические свойства всего белка.) Также известный как «субдомен головки виллина», он часто используется в исследованиях сворачивания.

Группа использовала нагрев для разворачивания HP35, нагревая его более 25 мс до 95°C. Затем ему дали повторно свернуться в течение «периода инкубации» около 0,1 мс при 30°C. Белок выдерживали при этой температуре в течение периода инкубации от 1 до 10 миллисекунд, а затем мгновенно замораживали до -35°C, где образуются частицы диаметром около 0,3 миллиметра.

После наблюдения быстрого сворачивания HP35 с помощью оптических спектроскопических зондов, суспензию замороженных частиц проанализировали с помощью ЯМР твердого тела атомов углерода-13 в остатках белка, чтобы наблюдать их поведение после начального быстрого сворачивания. На характеристических частотах колебаний ядерного спина ¹³C сигнал колеблющегося приложенного магнитного поля становится острее, когда молекулярная структура становится более жёсткой.

Группа наблюдала, что резонансные частоты ¹³C для двух конкретных остатков не менялись в течение периода инкубации, что указывало на то, что они были участками белка, уже свернувшимися к началу этого периода. Однако сигнал от резонансных частот нескольких других остатков в других частях белка становился острее в течение 10-мс периода инкубации, показывая, что эти участки белка всё ещё сворачивались после начала периода инкубации.

То есть HP35 казался свёрнутым за 0,1 мс к началу периода инкубации, но фактически полностью сворачивался только после окончания 10-мс периода инкубации, становясь жёстким в своей окончательной форме.

Этот результат является первым определённым доказательством образования так называемого состояния DMG (сухой расплавленной глобулы) во время сворачивания. DMG был впервые теоретически предложен в 1989 году как предпоследнее состояние, принимаемое сворачивающимся белком — до этого наблюдалось только состояние влажной расплавленной глобулы, когда предварительно сформированный белок находился в более крупной конфигурации внутри воды.

До сих пор не было доказательств существования состояния DMG, но были предположения о его существовании в исследованиях разворачивания различных белков. Другое исследование фермента — белков-катализаторов, ускоряющих химические реакции — дало намёки на то, что сворачивание может продолжаться в течение нескольких дней.

«Вторая стадия структурной оптимизации или отжига не наблюдалась в предыдущих исследованиях, но проявляется в наших экспериментах, потому что мы измеряем сигналы ЯМР, — сказал Тайко из NIDDK, — которые очень чувствительны к конформационным вариациям и локальным структурным деталям».

Отметив, что большая часть оборудования для измерения температурных скачков в субмиллисекундном диапазоне была разработана в его лаборатории, он добавил: «С помощью этого оборудования мы можем искать подобные эффекты в других биомолекулярных процессах, которые связаны с большими однонаправленными структурными изменениями».