Исследование раскрывает секреты белка, растворяющего белковые сгустки

Белки теплового шока (HSP) помогают повторно сворачивать белки, которые были неправильно свернуты и образовали сгустки, вызывающие такие заболевания, как болезнь Паркинсона, боковой амиотрофический склероз и болезнь Альцгеймера. Джеймс Шортер, PhD, доцент кафедры биохимии и биофизики Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета, разрабатывает способы «перепрограммирования» одного из таких белков — дрожжевого белка Hsp104 — для улучшения его терапевтических свойств.

Однако точное понимание механизмов работы Hsp104 по восстановлению деформированных и агрегированных белков отсутствовало. Теперь Шортер и его коллеги обнаружили, что ранее игнорируемая часть структуры Hsp104, N-концевой домен (NTD), расположенный на одном конце молекулы, играет ключевую роль в его способности разрушать белковые агрегаты. Их работа опубликована в Molecular Cell.

«Мы определили с беспрецедентной детализацией механизм, с помощью которого Hsp104 растворяет свой естественный субстрат — прионы Sup35», — говорит Шортер. «Мы обнаружили, что N-концевой домен Hsp104 позволяет ферменту функционировать таким образом, что это обеспечивает распад приона». Прионы — это «инфекционные» белки, вызывающие болезни у людей, но могут быть полезны у дрожжей.

Хотя Hsp104 присутствует у подавляющего большинства менее сложных организмов на планете, он был утрачен в ходе эволюции от низших форм жизни к более сложным животным и людям. «Это во многом загадочно, — говорит Шортер. — Мы не совсем понимаем, почему Hsp104 был утерян. Но он мог бы быть полезен в терапевтических целях, поскольку мы могли бы вернуть активность, которой у людей по сути нет: способность быстро растворять и повторно сворачивать прионы». Ранее Шортер и коллеги определили набор человеческих белков теплового шока, которые могут медленно растворять прионы.

Хотя предыдущие работы Шортера и других показали, что средняя часть Hsp104 жизненно важна для его активности по разрушению агрегатов, N-концевой домен считался относительно неважным. «Исследователи полагали, что это более второстепенный домен», — говорит ведущий автор Элизабет Суини, PhD, бывшая аспирантка лаборатории Шортера, а ныне постдок в Массачусетском технологическом институте. «В этой статье мы показываем, что когда Hsp104 сталкивается с очень устойчивым белковым сгустком, подобным тем, что наблюдаются в белковых включениях при нейродегенеративных заболеваниях, этот домен становится очень важным».

Шортер и его коллабораторы использовали малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS), чтобы изучить роль N-концевого домена Hsp104, удалив его из фермента и протестировав в различных условиях. Когда Hsp104 без NTD (Hsp104ΔN) добавляли к формирующимся в пробирке прионам Sup35, он способствовал образованию прионов, а не их растворению. Исследователи также наблюдали, что, в то время как Hsp104 атакует прион Sup35, разрывая контакты «головы» и «хвоста», которые удерживают прион вместе, Hsp104ΔN был на это не способен. Hsp104ΔN способен растворять неупорядоченные белковые агрегаты, но не может разрушать прионы из-за их повышенной стабильности.

Суини обнаружила, что Hsp104 — в норме имеющий форму короткой шестиугольной трубки — работает как перистальтический насос, проталкивающий молекулы через свой центральный канал. АТФ, энергетическая молекула клетки, служит топливом для этого насоса.

Измененная структура Hsp104ΔN сильно нарушает этот нормальный механизм, влияя на его способность разрушать Sup35 и другие прионы. Суини отмечает: «Hsp104 извлекает отдельные белки из прионной фибриллы, проталкивая их через свой центральный канал, и таким образом растворяет их. N-концевой домен Hsp104 позволяет ферменту функционировать более мощным способом, что обеспечивает растворение очень стабильного дрожжевого приона Sup35».

Эти новые данные о работе Hsp104 открывают ряд новых направлений исследований: «Мы вышли на новый уровень понимания, который поможет нам спроектировать и модифицировать фермент для более эффективной работы против человеческих белков, вызывающих проблемы при заболеваниях», — отмечает Шортер. «Наш следующий шаг — добиться еще большего понимания структуры Hsp104. Наше текущее разрешение структуры составляет всего около 7 или 8 ангстрем, и мы хотели бы довести его до атомного уровня. Другая цель — модифицировать N-концевой домен для более эффективной работы против агрегированных белков, связанных с болезнями человека. До этой статьи мы даже не думали бы об этом, потому что этот домен не считался важным. Это одно из ключевых открытий этого исследования».