Мембранный белок в форме лодки предлагает новое решение для работы в клеточной мембране

Ученые из Детской исследовательской больницы Сент-Джуд обнаружили новую структуру, которая помогает ферменту решать сложную биологическую проблему, покачиваясь, как корабль, на поверхности клеточной мембраны. Это открытие позволяет заглянуть в то, как жизнь работает на молекулярном уровне, и указывает на возможную новую мишень для антибиотиков в будущем.

Исследование было опубликовано в Nature Structural and Molecular Biology и сосредоточено на семействе мембранных белков, встречающихся от простейших до самых сложных форм жизни.

Было известно, что белок, называемый лизофосфатидная кислота ацилтрансфераза или PlsC у бактерий, необходим для сборки молекул фосфолипидов — основного компонента клеточных мембран. Его роль в процессе производства — присоединить молекулу из водолюбивой (гидрофильной) цитоплазмы к неполному фосфолипиду в маслолюбивой (гидрофобной) внутренней части мембраны. В этом исследовании ученые выяснили, как PlsC это делает.

«Мы все знаем, что масло и вода не смешиваются. Ученые долго ломали голову над тем, как это семейство ферментов преодолевает этот барьер», — сказал Чарльз Рок, доктор философии.

Чтобы понять успех фермента, Стивен Уайт и его коллеги кристаллизовали термостабильный PlsC из бактерии, живущей при высокой температуре. Структура белка, подкрепленная лабораторными экспериментами и молекулярно-динамическим моделированием, привела к решению.

«Оказывается, природа создала очень умную "лодку", которая решила топологическую проблему для этого и, вероятно, тысяч других подобных белков», — сказал Рок. — «Белок выглядел не так, как все, что мы видели раньше; тем не менее, он есть у каждого организма, включая человека».

Трансмембранные белки обычно проходят через мембрану и выступают с обеих ее сторон. Исследователи определили, что PlsC не может принять такую структуру. Вместо этого кристаллическая структура PlsC показала молекулу в форме лодки, которая «плывет» по поверхности фосфолипидного бислоя, а не проходит через мембрану.

Как стабилизирующий киль корабля, у PlsC есть гидрофобный сегмент, который проникает внутрь клеточной мембраны. Это закрепляет фермент в мембране, давая ему прямой доступ к его частично завершенному фосфолипидному субстрату и позволяя производить зрелый фосфолипид для роста мембраны. У PlsC также есть гидрофильный сегмент, который простирается в цитоплазму для доступа к водорастворимому субстрату.

Мутировав PlsC, исследователи подтвердили, как белок закреплен в мембране и как выбирается правильная ацильная группа из цитоплазмы.

«Разные бактерии используют разные ацильные цепи для контроля динамики мембраны», — сказал Уайт. — «На атомном уровне структура белка создает два туннеля, которые служат путями для встречи двух субстратов в активном центре PlsC, где происходит химическое волшебство. Один субстрат входит в первый туннель из мембраны, а растворимая ацильная группа входит с другого конца и стыкуется со вторым туннелем».

Мутируя бактериальный PlsC, чтобы изменить длину второго туннеля, исследователи показали, что его длина точно определяет, какая ацильная группа выбирается для реакции.

«Туннель функционировал как линейка, чтобы выбрать правильную ацильную группу, которая помещается в туннель для создания желаемых свойств мембраны», — сказал Рок.

Молекулярно-динамическое моделирование, проведенное на суперкомпьютере Сент-Джуда, подтвердило гипотезу исследователей о том, как функционирует PlsC.

«Структура обеспечивает архитектурное решение, которое никогда раньше не наблюдалось и которое с небольшими вариациями используется похожими белками для катализа разнообразных биохимических реакций внутри клеточной мембраны», — заключил Рок.