Исследование проливает свет на то, как белки-скремблазы перестраивают клеточные мембраны

Согласно новой модели, предложенной учёными Weill Cornell Medicine, класс белков, известных как TMEM16-скремблазы, позволяют перестраивать липиды в клеточной мембране в основном за счёт её истончения.

Эта модель, основанная на полученных на сегодняшний день изображениях TMEM16-скремблазы с самым высоким разрешением, бросает вызов преобладающей теории о том, как эти белки выполняют свою фундаментальную роль в биологии, и может привести к созданию первых фармацевтических препаратов, нацеленных на скремблазы.

Белки-скремблазы находятся во внешних мембранах практически всех эукариотических клеток и могут дезорганизовать — «перемешивать» — нормальное расположение жироподобных липидных молекул, составляющих мембраны. Это нарушение нормальной структуры мембраны является необходимой частью многих важных биологических процессов, включая свёртывание крови, репарацию мембран и апоптоз — запрограммированную гибель повреждённых клеток. Дисфункции TMEM16-скремблаз связаны с заболеваниями крови и костей, снижением подвижности сперматозоидов, раком и двигательными расстройствами, среди других состояний.

Исследователи, чьи выводы были опубликованы 11 мая в Nature Communications, использовали криогенную электронную микроскопию (cryo-EM) для визуализации структуры TMEM16-скремблазы с разрешением, близким к атомарному, в мембраноподобной среде. Полученные данные убедительно свидетельствовали о том, что общепринятая модель работы этих скремблаз нуждается в пересмотре.

«Мы предполагаем, что белок TMEM16-скремблаза работает не за счёт прямого взаимодействия с конкретными липидами, а путём механического изменения структуры мембраны, делая её в целом очень тонкой и неупорядоченной», — сказал Алессио Аккарди, профессор физиологии и биофизики в анестезиологии в Weill Cornell Medicine.

Первыми авторами исследования были Мария Фальцоне, аспирант лаборатории Аккарди во время исследования, и Чжан Фэн, постдокторант той же лаборатории.

Внешняя мембрана клетки состоит из двух плотно упорядоченных слоёв липидных молекул, где внешний и внутренний слои состоят из различных наборов типов липидных молекул. TMEM16-скремблаза пронизывает эти слои и имеет трубчатую или «жёлобную» структуру, которая открывается при активации связыванием ионов кальция.

Активация этого белка приводит к тому, что липиды в клеточной мембране теряют своё нормальное расположение и начинают случайным образом распределяться между двумя слоями. Доминирующая гипотеза заключалась в том, что жёлоб действует подобно пазу в считывателе кредитных карт: липиды свободно перемещаются между слоями мембраны, входя в паз «головой» вперёд, что приводит к нарушению обычного упорядочивания двух листков мембраны. Однако трудности с получением достаточно детальных изображений структуры TMEM16 в комплексе со слабо связанными липидными молекулами оставляли точный механизм липидного скремблирования неясным.

Команда Аккарди использовала cryo-EM для построения 3D-структурного изображения TMEM16-скремблазы, обнаруженной у вида грибов Aspergillus fumigatus. Эта версия скремблазы очень похожа на человеческие белки, но более стабильна для целей cryo-EM. Разрешение структурного изображения составило 2.4 Å (ангстрема), или около четверти миллиардной доли метра — это самое высокое разрешение на сегодняшний день для структуры TMEM16-скремблазы.

Структурные данные визуализации в сочетании с функциональным анализом различных мутантов TMEM16-скремблазы показали, что модель «считывателя карт» неверна. Вместо специфического взаимодействия с липидами жёлоб скремблазы локально деформирует мембрану, делая её значительно тоньше и дезорганизуя липиды в непосредственной близости.

«Мы предполагаем, что TMEM16-скремблаза механически изменяет структуру мембраны, делая её очень тонкой и неупорядоченной вблизи жёлоба», — сказал Аккарди. «Это позволяет липидам перемещаться без необходимости взаимодействия с внутренней частью жёлоба, как в модели считывателя карт».

Он отметил, что открытие жёлоба также впускает молекулы воды, которые облегчают перемещение близлежащих липидных «головок» между слоями мембраны.

Аккарди и его команда сейчас работают над подтверждением своих выводов на млекопитающих версиях TMEM16-скремблаз. Они также изучают, как регулируются функции этих скремблаз в клетках, и начинают задумываться о том, как будущие низкомолекулярные препараты могут восстановить или иным образом изменить функцию скремблаз для лечения заболеваний.

«Мы пытаемся понять последствия для биологии и медицины этой новой модели, предложенной нашим исследованием», — сказал Аккарди.