Ученые смоделировали 3D-структуры белков, управляющих человеческими биологическими часами

В выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) от 9 апреля 2009 года исследователи сообщили, что им удалось определить молекулярную структуру растительного белка фотолиазы, которая удивительно похожа на два белка криптохрома, контролирующих "главные часы" у людей и других млекопитающих. Они также смогли проверить, как структурные изменения влияют на функцию этих белков.

Структура растительной фотолиазы — гораздо лучшая модель для изучения работы криптохромов в человеческих часах, чем все, что было раньше. Это похоже на то, как впервые узнать, где в машине находится двигатель. Когда известны самые важные части белка, можно начать понимать, как он функционирует.

Долгосрочная цель — не только расшифровать работу часов, но и разработать лекарство для людей, которые не могут перестроить свои биоритмы, например, работающих в ночную смену или путешествующих на большие расстояния. Наличие трехмерной структуры белка — большой шаг вперед в обоих направлениях.

До сих пор было невозможно получить кристаллическую структуру криптохромов, контролирующих циркадные ритмы млекопитающих, из-за их недостаточной стабильности. Поэтому команда ученых обратилась к растению Arabidopsis thaliana, которое часто используется в качестве модельного организма для изучения генов.

Как и все растения, оно содержит белки фотолиазы, которые используют синий свет для восстановления повреждений ДНК, вызванных ультрафиолетом. Фотолиазы также найдены у бактерий и некоторых животных, но не в человеческих клетках. Люди и млекопитающие, напротив, обладают гомологичным белком — криптохромом, который модулирует циркадные часы.

Это удивительное и загадочное семейство белков: они делают одно в растениях и совсем другое у млекопитающих, при этом все "кузены" имеют сходную структуру и для активации нуждаются в одном и том же кофакторе (химическом соединении). Все эти белки, вероятно, изначально были реакцией на солнечный свет.

В этом исследовании ученые произвели белки из генов Arabidopsis thaliana, кодирующих два родственных фермента фотолиазы. Ген из растения был перенесен в бактерии E. coli для производства большого количества белка, который затем кристаллизовали для определения атомной структуры с помощью рентгеноструктурного анализа. Затем были созданы различные мутантные белки для тестирования функциональной структуры ферментов.

Теперь можно изучать сходства и различия между криптохромами человека и мыши и растительными фотолиазами. Результаты обеспечивают детальную сравнительную основу для биологических исследований этих белков и их функций.

Полученные данные могут лечь в основу лекарств для облегчения джетлага и регуляции метаболизма лекарств, а также помочь объяснить некоторые нарушения циркадных ритмов, обнаруженные у мышей и человека. Удаление одного из двух белков криптохрома удлиняет цикл 24-часовых часов организма, а удаление другого — укорачивает его.

Было обнаружено различие в одной аминокислоте, которое изменяет структуру белка вблизи его активного центра. Показано, что изменение этого элемента влияет на работу белков. Следующий шаг — изучение взаимодействия криптохромов с их белковыми партнерами.