Фолдинг белков в условиях дефицита кислорода

Белки состоят из сотен или тысяч аминокислот, соединенных в цепь. Чтобы выполнять свои функции, эта цепь должна свернуться в уникальную трехмерную структуру. Для белков, секретируемых из клетки или транспортируемых во внутриклеточные хранилища, этот процесс (фолдинг) происходит в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР). Здесь соседние участки белковой цепи могут связываться между собой через дисульфидные мостики (S-S), что стабилизирует окончательную форму белка.

Образование дисульфидного мостика — это окислительная реакция: когда два остатка цистеина с S-H-группами оказываются рядом, от них отнимаются электроны, и образуется связь S-S. Электроны затем нужно "утилизировать", чтобы они не нанесли ущерба. В клетках растений существует цепочка вспомогательных белков, передающих электроны по принципу "живой цепочки" (ведерной передачи). Ключевым звеном в этой цепи являются ER-оксидоредуктазы (EROs), которые передают электроны на кислород.

Измерение редокс-потенциала в живой клетке

Исследователи из Боннского и Мюнстерского университетов разработали метод измерения редокс-потенциала (условной "силы тяги" за электроны) у EROs в живой клетке растения Arabidopsis thaliana. Для этого использовали сенсорный белок, флуоресценция которого зависит от редокс-потенциала измеряемой молекулы. Замеры проводили каждые три минуты в течение нескольких часов.

Ключевой результат: редокс-потенциал EROs оказался значительно ниже, чем предполагалось ранее. Это означает, что вся электрон-транспортная цепь в ЭР, вероятно, откалибрована иначе.

Адаптация к недостатку кислорода

EROs для утилизации электронов нужен кислород. При затоплении (например, после полевого паводка) доступ кислорода к частям растения ограничен. В таких условиях EROs, по-видимому, регулируют редокс-потенциалы в цепи так, чтобы образование дисульфидных мостиков продолжалось, хотя и с меньшей скоростью. Это позволяет растению расти даже в отсутствие кислорода.

Для проверки этой гипотезы ученые "выключили" один ген ERO и значительно снизили активность второго. В результате растение стало гораздо более чувствительным к недостатку кислорода и другим видам восстановительного стресса — его рост сильно замедлился.

Важное наблюдение: даже в этих условиях фолдинг белков все еще работал, хотя бы частично. Это указывает на существование в Arabidopsis второго механизма, способного окислять S-H-остатки в белках ЭР в обход классического пути с EROs.

Перспективы

В долгосрочной перспективе эти открытия могут помочь в выведении сортов растений, более устойчивых к кратковременному кислородному голоданию. С учетом того, что изменение климата ведет к учащению не только засух, но и наводнений, спрос на такие культуры, вероятно, будет расти.

Исследование опубликовано в журнале Plant Cell.