Атомный снимок запечатлел белковый мотор в действии
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли с помощью передовой кристаллографической станции на источнике синхротронного излучения ALS удалось раскрыть атомную структуру и механизм действия замечательного класса кольцеобразных белковых моторов. Эти моторы играют ключевую роль в экспрессии и репликации генов, жизненно важны для всех биологических клеток, а также для инфекционных агентов, таких как вирус папилломы человека, связанный с раком шейки матки.
Биохимик и структурный биолог Джеймс Бергер и аспирант Нейтан Томсен зафиксировали критический момент действия фермента, известного как фактор терминации транскрипции Rho. У бактерий этот моторный белок связывается со специфическим участком матричной РНК и перемещается вдоль цепи, чтобы избирательно останавливать транскрипцию в определённых точках генома.
«Мы показали, что фактор терминации транскрипции Rho из Escherichia coli функционирует как роторный двигатель, подобный моторам на некоторых классах самолётов с пропеллером», — говорит Бергер. — «Когда мотор вращается, используя химическую энергию нуклеотидов АТФ, он протягивает цепи РНК через свой внутренний канал, что позволяет белку Rho "шагать" вдоль РНК. Интересно, что порядок "зажигания" ротора смещён так, что белок Rho может двигаться только в одном направлении вдоль цепи РНК».
Результаты исследования, опубликованные в журнале Cell, описаны в статье «Running in reverse: the structural basis for translocation polarity in hexameric helicases».
Фактор Rho принадлежит к суперсемейству гексамерных хеликаз — кольцевидных белков, состоящих из шести независимых субъединиц или «цилиндров». Они участвуют в расплетании и перемещении цепей ДНК и РНК в клетке. Существует два подсемейства: AAA+ и RecA. Rho относится к семейству RecA, наиболее распространённому у бактерий. Моторы AAA+ встречаются преимущественно у эукариот, включая человека, а также у некоторых патогенов, таких как вирус папилломы. Эти моторы произошли от общего предка, но движутся по нуклеиновым кислотам в противоположных направлениях.
«Если вы хотите понять, как работает фермент, и, возможно, в конечном итоге разработать терапевтический препарат, который заблокирует его работу, полезно знать, как выглядит этот мотор», — объясняет Бергер. — «Мы первыми определили кристаллическую структуру гексамерной хеликазы класса RecA в состоянии транслокации, связанной как с её нуклеиновой "дорожкой", так и с АТФ. При этом нам случайно удалось застать мотор в момент движения вдоль цепи РНК».
Структуру этого белкового мотора Rho удалось определить с помощью возможностей белковой кристаллографии на станции ALS Beamline 8.3.1. Высокая яркость рентгеновских лучей и экспериментальные возможности этой станции были критически важны для успеха.
Исследование показало, что элементы связывания нуклеиновых кислот во внутренней части кольца Rho образуют спираль вокруг шести оснований РНК. Когда сайты связывания АТФ, связанные с этим сегментом РНК, высвобождают химическую энергию путём гидролиза нуклеотида, они делают это последовательно, передавая импульс по гексамерному кольцу. Эта химическая энергия преобразуется в механическое движение, которое определяет направление вращения мотора Rho на основе порядка «зажигания» сайтов АТФ.
«Представьте себе цилиндры в радиальном двигателе», — говорит Бергер. — «Топливо поступает с одной стороны, вызывая движения, которые заставляют цилиндры вращаться вокруг центрального "распредвала" из РНК. Однако, поскольку цилиндры фактически находятся не в одной плоскости, они "шагают" вдоль этого вала по мере движения».
В своём исследовании Бергер и Томсен обнаружили, что природа создала аналогичный роторный механизм для белка E1 вируса папилломы человека, который является гексамерной хеликазой семейства AAA+. Их анализ показал, что мотор E1 движется в противоположном направлении, потому что порядок вращательного «зажигания» сайтов АТФ фактически обратный.
Определение молекулярной структуры белковых моторов и понимание принципов их работы критически важно не только для фундаментального понимания молекулярных принципов, управляющих клеткой, но и для помощи в разработке фармацевтических препаратов.
«ДНК и РНК — это большие и громоздкие полимеры, которые представляют проблему для молекулярных машин, которым необходим доступ к их генетической информации», — говорит Бергер. — «Помимо роторной, существовали ещё две предложенные модели для этих белковых моторов: модель "тактования", при которой все активные элементы одновременно гидролизуют АТФ, и стохастическая модель, при которой сайты АТФ срабатывают случайным образом. Мы показали, что моторы в стиле RecA используют роторную модель».