Визуализирована машина для рециклинга белков
Ученые Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) получили новые структуры важной клеточной машины рециклинга с детализацией, близкой к атомарному уровню. Структуры показывают белок NSF отдельно и во взаимодействии с его мишенью — белковым комплексом SNARE, который образуется при слиянии мембран. Вместе эти структуры дают новые подсказки о том, как эта машина выполняет свою работу.
Белки SNARE на поверхностях клеток и клеточных компартментов, называемых везикулами, обеспечивают энергию, необходимую для слияния этих поверхностей, подобно тому, как два мыльных пузыря сливаются в один больший. Это слияние необходимо для транспорта и секреции различных материалов, включая гормоны и нейромедиаторы. Разбирая комплексы SNARE и возвращая их компоненты после слияния, NSF гарантирует, что клетки сохраняют ресурсы, необходимые для осуществления мембранного слияния.
Новые структуры предполагают, что NSF может раскручивать комплексы SNARE, плотно захватывая их и прилагая сильный крутящий момент, чтобы разъединить их компоненты, говорит Аксель Брюнгер, исследователь HHMI, руководивший работой в Стэнфордском университете. Брюнгер отмечает, что это первый случай, когда ученые получили детальное изображение машины разборки в момент подготовки к разъединению своей мишени. Он и его коллеги, включая Ифана Чена из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF), опубликовали свои результаты 12 января 2015 года в журнале Nature.
Как работает NSF
Во время мембранного слияния белки SNARE на поверхности каждой мембраны "застегиваются" вместе, образуя стабильный комплекс, создающий силу, которая стягивает мембраны. "Когда этот комплекс выполнил свою работу, он сам по себе не распадется. Нужен активный процесс, чтобы его разобрать", — говорит Брюнгер. Поскольку мембраны должны сливаться многократно, вместо производства новых белков SNARE для следующего цикла NSF вмешивается и извлекает компоненты каждого комплекса SNARE для их повторного использования.
Технологический прорыв
Ранее исследователи могли визуализировать только около двух третей молекулы NSF. Получению полной структуры мешали:
- Движение молекул в процессе работы NSF.
- Неоднородность образцов для электронной микроскопии.
- Сложности с кристаллизацией для рентгеноструктурного анализа.
Успех стал возможен благодаря:
- Усовершенствованию электронной микроскопии, в частности, новым прямым детекторам электронов.
- Разработке биохимических методов для синхронизации комплексов.
Ключевые открытия из структур
- Неожиданный поворот: Адаптерные белки SNAP, связывающие NSF с комплексом SNARE, обвивают SNARE с правозакрученным витком, в то время как сам комплекс SNARE имеет левозакрученную спиральную структуру. Это намекает, что NSF инициирует разборку, раскручивая комплекс SNARE.
- Двойное соединение: SNAP связывается с NSF через два интерфейса, а не один. Мутации в этих сайтах связывания нарушали способность NSF разбирать комплексы SNARE. Это двойное соединение может обеспечивать более плотный захват и позволять NSF прилагать крутящий момент.
- Изменение формы: Структуры NSF, связанного с ATP (до гидролиза) и ADP (после), показали, как белок меняет форму после использования энергии ATP. Сегменты, соединяющиеся с SNAP, переворачиваются, что позволяет предположить передачу большой силы на плотно связанные адаптеры.
Перспективы
Полученные структуры — это "снимки" NSF в нескольких ключевых точках процесса. Для полного понимания механизма необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, что происходит между этими состояниями, как именно начинается разборка и как комплекс SNARE окончательно разрывается.