Расшифровка молекулярной динамики сложных белков

Какие структуры сложные белки принимают в растворе? Биофизики из Констанца ответили на этот вопрос на примере димеров убиквитина, используя новую комбинацию высокоразрешающей ЯМР-спектроскопии и сложных компьютерных симуляций.

Белки состоят из аминокислот, которые связаны в длинные цепи согласно нашей генетической информации. В клетках эти цепи не просто скручены, а сворачиваются в сложные трёхмерные структуры. Способ сворачивания белка решающим образом влияет на его функцию, определяя, например, с какими другими молекулами он может взаимодействовать в клетке. Знание трёхмерной структуры белков представляет большой интерес для наук о жизни и играет роль, в частности, в разработке лекарств.

"К сожалению, определение структуры белка — задача нетривиальная, и фокусировка на единственном состоянии не всегда даёт значимую информацию, особенно если белок структурно высоко гибкий", — говорит Тобиас Шнайдер из исследовательской группы Михаэля Коверманна на кафедре химии Университета Констанца.

Причина в том, что сложные белки часто сворачиваются в несколько компактных субъединиц, называемых доменами, которые, в свою очередь, могут быть соединены гибкими линкерами. Чем больше гибко соединённых субъединиц присутствует, тем больше различных трёхмерных структур теоретически может принять белок. "Это означает, что белок в растворе, например внутри наших клеток, имеет несколько равновероятных состояний и постоянно переключается между ними", — объясняет Шнайдер.

В поисках структурного ансамбля

Простого "снимка" недостаточно для полного описания структурных особенностей таких мультидоменных белков, так как он зафиксирует лишь одно из многих состояний. Чтобы получить детальную картину возможных структур таких белков, необходима умная комбинация различных методов. В статье, опубликованной в журнале Structure, биофизики из Констанца под руководством Михаэля Коверманна и Кристин Петер (также кафедра химии) представляют соответствующий подход с использованием комплементарных методов.

"С помощью ЯМР-спектроскопии, например, мы получаем информацию о динамических свойствах таких белков. Сложные компьютерные симуляции, с другой стороны, дают хороший обзор диапазона возможных конформаций", — поясняет Коверманн. "До сих пор не существовало общего подхода, который бы комплексно отображал динамические и структурные свойства мультидоменных белков".

Исследователи из Констанца разработали рабочий процесс, сочетающий ЯМР-спектроскопию и компьютерные симуляции, что позволяет им получать информацию об обоих свойствах с высоким временным и пространственным разрешением.

Доказательство работоспособности

Исследователи также предоставили доказательство того, что метод работает: они изучили различные димеры убиквитина. Они состоят из двух единиц белка убиквитина, соединённых гибкой связью, как это происходит в клетках. Это — классический пример мультидоменного белка, для которого до сих пор предлагались различные структурные модели и который представляет большой научный интерес.

Исследователи смогли показать, что изученные димеры убиквитина демонстрируют высокую структурную вариабельность, и это можно детально описать с помощью разработанной комбинации методов. Результаты также объясняют существующие на данный момент различные структурные модели димеров убиквитина.

"Мы убеждены, что наш подход — комбинирование комплементарных методов — будет работать не только для димеров убиквитина, но и для других мультидоменных белков", — говорит Шнайдер. "Наше исследование открывает новые пути для лучшего понимания высокого структурного разнообразия этих сложных белков, которое играет решающую роль в их биологических функциях".