Гибкие и быстрые: Белковые "спагетти" оказались эффективными "ключами"

Внутри клеток общение между ядром, хранящим генетический материал, и цитоплазмой обеспечивается постоянным обменом тысячами сигнальных молекул и белков. До сих пор было неизвестно, как этот белковый транспорт может быть таким быстрым и при этом достаточно точным, чтобы предотвратить прохождение нежелательных молекул. Комбинация компьютерного моделирования и различных экспериментальных методов позволила исследователям из Германии, Франции и Великобритании решить эту загадку. Оказалось, что очень гибкий и неупорядоченный белок может связываться со своим рецептором за миллиардные доли секунды. Исследование под руководством Эдварда Лемке (EMBL), Фрауке Гретер (Гейдельбергский институт теоретических исследований, HITS) и Мартина Блэкледжа (Институт структурной биологии, IBS) опубликовано в журнале Cell.

Белки могут узнавать друг друга. Каждый из них специфично взаимодействует только с определённым набором из множества белков в живой клетке, подобно ключу, вставляемому в замок. Но что, если "ключ" полностью гибкий, как в случае так называемых внутренне неупорядоченных белков (intrinsically disordered proteins, IDPs)? Междисциплинарное исследование, сочетавшее молекулярное моделирование, флуоресцентный резонансный перенос энергии одиночной молекулы (FRET), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), стоп-флоу спектроскопию и отслеживание частиц внутри клеток, дало неожиданный результат.

Гибкие, похожие на спагетти белки могут быть хорошими — возможно, даже лучше, чем жёсткие белковые блоки — в узнавании несколькими партнёрами. И они могут делать это очень быстро, сохраняя при этом высокую специфичность, необходимую клетке. Это может объяснять, почему такие неупорядоченные молекулы более распространены у эволюционно более высокоорганизованных организмов.

Ранее предполагалось, что при связывании IDP-"ключа" со своим "замком" он перестраивается, становясь более жёстким. Однако эксперименты в лаборатории Лемке указали на обратное. "Пионерские эксперименты с одиночными молекулами в EMBL показали, что в конкретном случае взаимодействия рецептора с неупорядоченным белком нет и намёка на ригидность: гибкий белок оставался таким же гибким даже в связанном с рецептором состоянии", — говорит Давиде Меркаданте (HITS). Это побудило его изучить то же взаимодействие на компьютере. Удивительный результат показал, что высокая гибкость IDP фактически помогает ему связываться со своим "замком" — в данном случае, рецептором ядерного транспорта, который переносит белки в ядро. Моделирование даже указало на сверхбыстрое связывание — более быстрое, чем любая другая ассоциация такого рода, зарегистрированная на сегодняшний день.

Полученные результаты помогают понять давний парадокс: "Для жизнеспособности клетки молекулы должны постоянно перемещаться в её ядро и из него", — говорит Эдвард Лемке (EMBL). — "Наши находки объясняют так называемый транспортный парадокс — то есть, как этот челночный транспорт может быть очень быстрым, оставаясь при этом специфичным, чтобы нежелательные молекулы не могли преодолеть барьер, защищающий наш геном".

Новое исследование предполагает, что множество мотивов связывания на поверхности IDP создают высокореактивную поверхность, которая вместе с очень высокой скоростью "запирания" и "отпирания" обеспечивает эффективную проверку, пока рецепторы быстро перемещаются через пору, заполненную другими IDP.

"Вероятно, это новая парадигма для узнавания внутренне неупорядоченных белков", — говорит Фрауке Гретер (HITS). Поскольку около 30–50% белков в клетках человека являются неупорядоченными (по крайней мере, в некоторых областях), результаты также могут объяснять, как информация об узнавании в целом может обрабатываться очень быстро — что жизненно важно для клеток.