Как белки сортируются в клетке? Исследовательская команда решает эту загадку десятилетней давности

Исследователи раскрыли механизм сортировки белков в клетке, над которым бились более 25 лет. Белковый комплекс NAC (nascent polypeptide-associated complex) действует как "привратник" в синтезе белков, регулируя их транспорт внутри клетки. Молекулярный механизм этой функции был выяснен клеточными и молекулярными биологами из Констанца в рамках международного сотрудничества.

Для поддержания клеточных функций критически важно, чтобы белки транспортировались к различным "органеллам" клетки уже в процессе их синтеза. Международная команда обнаружила, как на молекулярном уровне контролируется этот процесс для важного направления — транспорта новосинтезированных белков к мембранной сети клетки, эндоплазматическому ретикулуму (ЭР).

В публикации в журнале Science исследователи показали, что белковый комплекс NAC играет решающую роль. Как привратник, NAC обеспечивает передачу белковому транспортеру SRP (signal recognition particle) только тех белков, чье назначение — ЭР. SRP затем доставляет "груз" к указанной цели. Если у синтезируемого белка другое назначение, NAC блокирует его доступ к SRP.

Фабрика белков

В рибосомах — клеточных "фабриках" — аминокислоты собираются в длинные цепи, образуя новые белки. Известно, что два белковых комплекса, NAC и SRP, важны для направленного транспорта белков к ЭР. SRP — это "транспортный белок", который распознает специфический транспортный сигнал, закодированный в новом белке. Проблема в том, что SRP также неспецифически связывается с рибосомами, у которых нет сигнала к ЭР.

"Бесконтрольное связывание SRP с любой ближайшей рибосомой привело бы к бесчисленным ошибочным доставкам, что серьезно нарушило бы функцию и жизнеспособность клетки", — объясняет профессор Эльке Дойерлинг, один из старших авторов исследования. Контролирующей инстанцией, предотвращающей это, является "привратник" NAC.

В поисках молекулярного механизма

Чтобы выяснить, как именно NAC предотвращает неспецифическое связывание SRP, биологи из Констанца сотрудничали с коллегами из ETH Zurich (Швейцария), MRC Laboratory of Molecular Biology (Кембридж, Великобритания) и California Institutes of Technology (Калтех, США).

Они смоделировали процессы в клетке, смешав очищенные рибосомы с NAC и SRP в пробирке. Смесь мгновенно замораживали при температуре ниже -150°C и изучали с помощью криоэлектронной микроскопии. Это позволило увидеть, как NAC связывается с рибосомами до и после передачи "груза" SRP. Однако переход между этими состояниями оставался неясным, так как это высокодинамичный процесс.

Доктор Мартин Гамеридингер и его команда провели высокоразрешающие биохимические исследования связывания. В сочетании с компьютерной реконструкцией 3D-структур и экспериментами по силе связывания между компонентами, это позволило расшифровать молекулярный механизм работы NAC.

NAC как привратник

Согласно предложенному механизму, NAC связывается с рибосомой у выхода, через который новосинтезированный белок покидает "фабрику". Часть NAC защищает этот выход (рибосомальный туннель) и блокирует доступ SRP к рибосоме и белку.

Доступ предоставляется только тогда, когда в процессе синтеза из туннеля выходит транспортная сигнальная последовательность для ЭР. NAC распознает этот сигнал и меняет свое положение на рибосоме. Выход из туннеля освобождается, и SRP может пристыковаться к нему, будучи активно привлечен к рибосоме через "захватывающую руку" NAC — UBA-домен. После связывания SRP и передачи сигнальной последовательности рибосома вместе с белком транспортируется к ЭР.

"Наше исследование раскрывает молекулярную функцию NAC как привратника, предоставляющего SRP доступ только к тем синтезируемым белкам, чье назначение — эндоплазматический ретикулум", — резюмирует профессор Эльке Дойерлинг. Она и ее коллеги отмечают, что будущие исследования должны показать, есть ли у NAC и другие контрольные функции у рибосомального туннеля.