Открыт новый механизм взаимодействия белков

Исследователи из Университета Цюриха обнаружили ранее неизвестный способ взаимодействия белков друг с другом и самоорганизации клеток. Этот новый механизм заключается в том, что два полностью неструктурированных белка образуют комплекс сверхвысокого сродства благодаря своим противоположным суммарным зарядам. Обычно белки связываются друг с другом в результате идеального совпадения форм их трёхмерных структур.

Белки являются одними из важнейших биомолекул и ключевыми посредниками молекулярной коммуникации между и внутри клеток. Для связывания двух белков определённые области их трёхмерных структур должны точно соответствовать друг другу, как ключ подходит к замку. Структура белков чрезвычайно важна для их функционирования и запуска необходимых ответов в клетках. Теперь исследователи из Университета Цюриха вместе с коллегами из Дании и США обнаружили, что неструктурированные белки также могут иметь взаимодействия сверхвысокого сродства.

Один из таких белков — гистон H1, который как компонент хроматина отвечает за упаковку ДНК. Его партнёр по связыванию, протимосин α, действует как своего рода челнок, который доставляет и удаляет гистон с ДНК. Этот процесс определяет, могут ли быть считаны гены в определённых участках ДНК. Оба белка участвуют в нескольких регуляторных процессах в организме, таких как деление и пролиферация клеток, и поэтому также играют роль в развитии ряда заболеваний, включая рак. Бен Шулер, профессор кафедры биохимии UZH и руководитель исследовательского проекта, опубликованного в Nature, говорит: «Интересная особенность этих белков в том, что они полностью неструктурированы — как варёная лапша в воде». Как такие неупорядоченные белки могут взаимодействовать по принципу ключа/замка, озадачивало команду исследователей.

Примечательно, что два белка связываются друг с другом гораздо сильнее, чем средние белковые партнёры. Исследовательская группа использовала флуоресценцию одиночных молекул и спектроскопию ядерного магнитного резонанса (NMR), чтобы определить расположение белков. В изоляции они выглядят как протяжённые неструктурированные белковые цепи. Цепочки становятся более компактными, как только оба партнёра по связыванию сближаются и образуют комплекс. Сильное взаимодействие вызвано сильным электростатическим притяжением, поскольку гистон H1 сильно положительно заряжен, а протимозин α — сильно отрицательно заряжен. Ещё более удивительным стало открытие, что белковый комплекс также был полностью неструктурированным, что подтвердили несколько анализов.

Чтобы исследовать форму белкового комплекса, исследователи пометили оба белка флуоресцентными зондами, которые затем добавили на выбранные участки белков. Вместе с компьютерным моделированием эта молекулярная карта дала следующие результаты: гистон H1 взаимодействует с протимозином α предпочтительно в своей центральной области, которая является областью с наибольшей плотностью заряда. Более того, выяснилось, что комплекс высокодинамичен: положение белков в комплексе меняется чрезвычайно быстро — примерно за 100 наносекунд.

Такое поведение при взаимодействии, вероятно, довольно распространено. В клетках много белков, которые содержат сильно заряженные последовательности и могут быть способны образовывать такие белковые комплексы. Только в организме человека существуют сотни таких белков. «Вероятно, взаимодействие между неупорядоченными, сильно заряженными белками является основным механизмом функционирования и самоорганизации клеток», — заключает Бен Шулер. По словам биофизика, учебники потребуют пересмотра, чтобы учесть этот новый способ связывания. Открытие также актуально для разработки новых методов терапии, поскольку неструктурированные белки в значительной степени не реагируют на традиционные лекарства, которые связываются со специфическими структурами на поверхности белка.