Обнаружен новый путь топогенеза для сворачивания и сборки мультиспиральных мембранных белков

Исследователи под руководством профессора Чжана Цзайжуна из Шанхайского института органической химии Китайской академии наук идентифицировали посттрансляционный путь топогенеза для сворачивания и сборки мультиспиральных мембранных белков (MSPs).

Из примерно 5000 мембранных белков, синтезируемых на мембране эндоплазматического ретикулума (ЭР) в клетках человека, более половины составляют MSPs. Они играют ключевую роль в клеточной и организменной физиологии, функционируя как ионные каналы, транспортеры, рецепторы и внутримембранные ферменты.

Значительная часть этих функций зависит от полярных и заряженных аминокислот, что приводит к образованию слабогидрофобных трансмембранных доменов (pTMDs). Однако pTMDs плохо распознаются и интегрируются в фосфолипидный бислой транслоконом Sec61, который предпочитает гидрофобные TMDs.

В протеоме человека примерно 30% мембранных белков и более 50% MSPs содержат по крайней мере один pTMD. Как эти pTMDs эффективно распознаются и точно упаковываются в зрелые структуры MSPs, оставалось крупным научным вопросом.

Используя шестиспиральный белок-транспортер ABCG2 в качестве модели, исследователи обнаружили, что во время котрансляционной транслокации pTMD2 ABCG2 проходит через центральную пору транслокона в просвет ЭР, а не интегрируется в фосфолипидный бислой через латеральные ворота транслокона.

Это приводит к встраиванию нижележащих TMDs в мембрану ЭР с обратной ориентацией, формируя уникальный промежуточный продукт. После трансляции C-концевых положительно заряженных остатков лизина запускается процесс почти глобальной топологической перестройки.

Аффинная очистка показала, что белок ATP13A1 может детектировать C-концевой положительный заряд ABCG2. Замена остатков лизина на отрицательно заряженные или нейтральные аминокислоты значительно ослабляет взаимодействие между ATP13A1 и мутантами ABCG2.

Кроме того, нокаут ATP13A1 привел к накоплению неправильно свернутых конформаций ABCG2, в основном с неверно ориентированным TMD6 в мембране ЭР. Таким образом, ATP13A1 играет ключевую роль в топогенезе MSPs: его АТФазная активность способствует вытеснению неверно ориентированного TMD6 из липидного бислоя в цитозоль.

Впоследствии цитозольный TMD6 реинтегрируется в мембрану ЭР, что инициирует посттрансляционную топологическую перестройку других вышележащих TMDs.

После успешной перестройки TMDs 4-6 промежуточный продукт может олигомеризоваться в четвертичную структуру. Этот процесс, вероятно, облегчает интеграцию pTMD2 из водного просвета ЭР в конечную структуру, которая плотно окружена другими TMDs.

Исследование, опубликованное в Molecular Cell, объясняет, как «сложный» pTMD котрансляционно пропускается при встраивании, а посттрансляционно погружается в конечную правильную структуру на поздней стадии сворачивания, избегая избыточной экспозиции в липидах.

Примечательно, что из-за экспозиции pTMD2 в просвет ЭР во время топогенеза ABCG2, N-гликозилирование, вызванное генетической мутацией ABCG2-S441N, может значительно блокировать сборку pTMD на поздней стадии топогенеза. Поскольку ABCG2 является транспортером мочевой кислоты, это исследование объясняет, как данная мутация тесно связана с такими заболеваниями человека, как подагра и гиперурикемия.