Учёные показали, как цепи убиквитина присоединяются к белкам клеточного цикла
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) впервые детально визуализировали ранее загадочный процесс, при котором ферменты убиквитинлигазы присоединяют длинные цепи белка убиквитина к белкам, контролирующим клеточный цикл. Цепи убиквитина метят белки-мишени для уничтожения протеасомами.
«Мы обнаружили, что убиквитинлигазы строят цепи убиквитина очень быстро, перенося убиквитины по одному», — говорит профессор Рэймонд Деша.
Их выводы описаны в новом выпуске журнала Nature.
Убиквитин — один из самых необычных белков. В отличие от большинства белков, убиквитин должен быть физически присоединён к другим белкам, чтобы выполнять свою функцию.
В работе команда из Caltech изучила процесс убиквитинирования — присоединения убиквитина и его цепей к белкам-мишеням. В исследовании использовались белки циклин E и β-катенин, оба участвующие в контроле клеточного цикла.
Было известно, что добавление цепи из четырёх или более убиквитинов помечает белок для уничтожения. Разрушение циклина E критически важно для точной репликации ДНК, а деградация β-катенина предотвращает деление клеток в неподходящее время во время развития. Если β-катенин не деградирует, клетки чрезмерно пролиферируют, что предрасполагает к опухолеобразованию.
Также было известно, что цепи убиквитина добавляются с помощью трёх ферментов: E1, E2 и E3. E1 активирует убиквитин для переноса и передаёт его E2. Затем в процесс включается E3. Форма E3, называемая RING-лигазой, играет ключевую роль в мечении циклина E и β-катенина; она одновременно связывается с E2 и белком-мишенью, заставляя E2 перенести убиквитин на мишень.
Оставался открытым вопрос: цепь переносится на белок в уже собранном виде или убиквитины добавляются по одному?
«Процесс настолько сложен и быстр, что мы не могли увидеть, как цепь фактически строится», — отмечает Нейтан Пирс, ведущий автор статьи.
Чтобы решить эту проблему, Пирс создал подобие биологической покадровой анимации, позволившей команде наблюдать каждый шаг переноса убиквитина с E2 на белок-субстрат циклин E.
«Мы разработали методы для получения „снимков“ реакций убиквитинлигаз со скоростью до 100 „кадров“ в секунду. Это позволяет нам видеть вещи, которые обычно ускользают от обнаружения», — говорит Деша.
Предыдущие исследования изучали реакцию в масштабе секунд или минут. Но благодаря инновационному использованию лабораторного инструмента — машины остановленной струи (quench-flow machine) — команда смогла наблюдать за процессом с интервалами всего в 10 миллисекунд на белках как дрожжей, так и человека.
«Предыдущие методы не имели достаточного временного разрешения. Используя наш подход, мы увидели, что наша убиквитинлигаза строит цепи убиквитина по одному убиквитину за раз», — объясняет Деша.
«Как только мы узнали, каковы этапы, мы рассчитали скорости, с которыми они происходят. И на основе этих скоростей мы смогли действительно описать биологию работы этой системы», — добавляет Пирс.
Недавняя статья в журнале Cell, опубликованная постдоком лаборатории Деша Гари Клейгером, ответила на некоторые вопросы, связанные со скоростью. Измерив скорости взаимодействия E2 и E3, Клейгер показал их необычно быструю ассоциацию — быстрее, чем предсказывалось для обычных белков. E2 и E3 используют противоположно заряженные поверхности для притяжения друг к другу, ускоряя формирование функционального комплекса. Это помогает объяснить, как возможны быстрые последовательные добавления убиквитина, описанные в статье Nature.
Понимание этих аспектов работы убиквитинлигаз важно, поскольку они играют критическую роль в ряде заболеваний человека, включая рак, из-за их функции в регуляции клеточного цикла.
«Как только мы поймем, как работают убиквитинлигазы и что ограничивает их скорость, мы окажемся в отличной позиции, чтобы подумать о разработке лекарств, атакующих их ахиллесову пяту — чтобы сделать их самый медленный шаг ещё медленнее. Если мы сможем достаточно замедлить убиквитинлигазы, они могут стать слишком медленными, чтобы выполнить свою работу по построению цепей в отведённое для этого время», — говорит Деша.
«Мы смогли создать препараты против ВИЧ, потому что понимаем, как работает обратная транскриптаза. То же самое применимо здесь. Нам нужно понять, как работают эти ферменты, если мы когда-нибудь захотим нацелить на них терапию», — добавляет Пирс.