Мутации, определяющие, станет ли белок активным ферментом или железосодержащим каркасом

Исследователи из Германии определили точные структурные различия, которые решают, станет ли белок активным ферментом или железосодержащим каркасом. Это открытие, опубликованное в Nature Communications, углубляет понимание фундаментальных клеточных процессов, таких как синтез ДНК и метаболизм железа.

Четыре мутации в группе белков, называемых глутаредоксинами, определяют, как эти белки функционируют во всём — от бактерий и дрожжей до растений и человека. «Эти белки играют центральную роль в важнейших метаболических путях», — сказал профессор Марсель Депонте, биохимик, руководивший исследованием в Техническом университете Кайзерслаутерна.

Существует два основных класса белков глутаредоксинов. Глутаредоксины Класса I — это ферменты, катализирующие важные редокс-реакции, например, синтез предшественников ДНК. Глутаредоксины Класса II не являются активными катализаторами, а помогают чувствовать и транспортировать железо-серные кластеры — ключевой компонент метаболизма железа.

Хотя биохими знали о двух типах более 20 лет, было неясно, какие структурные различия ответственны за их различные функции. Депонте объединил усилия с исследователями из Университета Саара и Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, чтобы изучить белки в пробирках, в дрожжевых клетках и с помощью компьютерных моделей.

Структуры, полученные методом ядерного магнитного резонанса (NMR), выявили четыре области, содержащие различия (мутации) между аминокислотными последовательностями Класса I и Класса II. Учёные хотели выяснить, насколько каждая мутация способствует превращению белка в каталитически активный глутаредоксин Класса I или неактивный Класса II.

Для измерения этого они использовали комбинацию методов редактирования и отслеживания. Сначала они произвели и очистили белки, чтобы проанализировать их активность в тесте in vitro. В норме активный фермент Класса I катализирует редокс-реакцию.

Команда систематически заменяла области в неактивном белке Класса II на соответствующие области из активных белков Класса I, и наоборот. Наиболее заметное физическое различие между двумя классами — это длинная петля, присутствующая в неактивных белках Класса II. Когда исследователи вырезали длинную петлю и заменили её более короткой из белка Класса I, они наблюдали небольшое увеличение каталитической активности. Однако в комбинации с другими мутациями активность белка Класса II прогрессивно возрастала.

Исследователи пришли к выводу, что длинная петля действует как «выключатель» в неактивном Классе II, и для полного превращения неактивного белка в активный требовалось введение всех четырёх мутаций от глутаредоксинов Класса I. В конечном итоге им удалось превратить неактивные белки, чья работа обычно заключается в чувствительности или доставке железо-серных кластеров, в активные ферменты, катализирующие редокс-реакции, и наоборот.

«Мутации во всех четырёх областях работают вместе, чтобы сделать белок либо активным редокс-катализатором, либо железосвязывающим белком», — сказал Депонте.

Команда биохимиков из Саара под руководством профессора Брюса Моргана разработала тест для проверки значимости мутаций в живых дрожжевых клетках, подтвердив ту же закономерность — все четыре мутации необходимы для полного перехода между двумя классами. Для этих анализов использовался зелёный флуоресцентный зонд, который меняет свечение, чувствуя редокс-реакции.

Тем временем группа вычислительной фармацевтической химии и молекулярной биоинформатики из Дюссельдорфа под руководством профессора Хольгера Голке провела молекулярно-динамическое моделирование на суперкомпьютерах, что также поддержало и дополнило выводы.

Взятые вместе, три направления исследования «дают действительно убедительную картину того, как работают эти белки», — сказал Депонте. Это открытие стало возможным благодаря целевому гранту Немецкого научно-исследовательского общества (DFG), поощряющему подобное сотрудничество.

Следующие шаги могут включать изучение влияния этих мутаций на человеческие клетки или применение аналогичного исследовательского процесса к другим белкам.