Доставка белков к мембране в три этапа

Система доставки важного класса белков в клеточную мембрану может быть полностью воспроизведена всего с тремя компонентами, согласно новому исследованию.

Белки с хвостовым якорем, молекулярные машины, составляющие примерно 5% мембранных белков клетки, используют собственный специальный путь для транспортировки к мембране после сборки. Новое исследование Университета Чикаго и Национальных институтов здравоохранения, сочетающее структурные и функциональные эксперименты, показывает, что эти белки могут быть доставлены к мембране с помощью простой трёхкомпонентной системы.

Это более глубокое понимание пути белков с хвостовым якорем может иметь значение для разработки новых лекарств и методов биоинженерии. Исследователи, изучающие доставку других типов белков к мембране, также могут извлечь пользу из сравнения с этим специализированным путём по мере его дальнейшего изучения.

"Что нас действительно воодушевляет, так это перспектива иметь полностью определённую, полностью синтетическую контролируемую систему", — сказал Роберт Кинэн, PhD, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Чикагского университета. — "Теперь мы действительно можем начать задавать детальные механистические вопросы".

Команда учёных из Чикагского университета и Национального института детского здоровья и развития человека под руководством Кинэна и Рамануджана Хеджа, MD, PhD, опубликовала результаты в журнале Nature.

Многие белки должны быть доставлены от рибосомы к эндоплазматическому ретикулуму (ЭР). Большинство мембранных белков используют для этого "ко-трансляционный путь". Однако белки с хвостовым якорем (TA-белки), названные так потому, что в мембране находится лишь небольшой участок на "хвостовом" конце, используют другую систему доставки.

Первый компонент этой системы был идентифицирован в 2007 году Хеджем. Этот белок, названный Get3 в дрожжах, впоследствии оказался взаимодействующим с двумя белками Get1 и Get2. Однако оставалось неясным, как эти компоненты работают и достаточны ли они для доставки TA-белков.

Ведущие авторы исследования создали синтетическую систему, содержащую только Get1, Get2, Get3 и TA-белок-субстрат. Субстрат был успешно доставлен к мембране ЭР, что подтвердило достаточность трёхкомпонентной системы.

Учёные также удаляли или модифицировали определённые части белков Get, чтобы понять, как они работают вместе. Новая модель пути включает "крюки" как у Доктора Осьминога, передачу между двумя партнёрскими белками и элегантную систему рециклинга.

Модель трёхэтапной доставки:

1. Захват: Комплекс из двух молекул Get3, связанных с двумя молекулами АТФ, образует "бороздку" подходящего размера и химических свойств, чтобы захватить TA-белок (субстрат) в цитозоле.
2. Транспортировка: "Крюки" на конце Get2 захватывают комплекс и доставляют его к мембране. Длинные гибкие "руки" Get2 позволяют ему функционировать, что Кинэн в шутку сравнивает с Доктором Осьминогом.
3. Передача и встраивание: Get2 выполняет передачу (как в американском футболе) соседнему белку Get1. Связывание с Get1 заставляет две молекулы Get3 частично "расстёгиваться", открывая бороздку и высвобождая TA-субстрат для встраивания в мембрану.
4. Рециклинг: Новые молекулы АТФ связываются с Get3, заставляя его снова "застегнуться" в закрытую форму. Это высвобождает его от Get1, позволяя начать новый цикл доставки белка.

"У нас есть минимальная система, полностью очищенная, состоящая всего из трёх компонентов плюс субстрат", — сказал Кинэн. — "Теперь мы можем делать практически всё, что захотим. Мы можем создавать мутанты или химические модификации, а затем реконструировать систему и спрашивать: "работает ли она?"".

Некоторые этапы пути остаются не до конца изученными, например, как именно хвостовой якорь белка встраивается в мембрану после высвобождения Get3. Однако с очищенной системой исследователи могут начать изучать эти вопросы и сравнивать путь TA-белков с более сложным ко-трансляционным путём.

Понимание систем доставки белков может помочь в создании лучших лекарств и манипулировании клетками для целей биоинженерии. Например, некоторые вирусы, как полагают, используют пути доставки белков, и понимание деталей этого процесса может подсказать новые способы защиты клеток от инфекции.