Ученые определили 3D-структуру белка ZAK, участвующего в клеточном ответе на стресс
Ученые из Университета Джонса Хопкинса и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) впервые определили трехмерную структуру белка ZAK, который служит системой обнаружения повреждений в клетке.
ZAK давно известен своей ролью в регуляции клеточного ответа на стрессовые агенты, такие как УФ-излучение. Полученная структура с атомарным разрешением раскрывает механизм активации белка и открывает путь к разработке целевых методов лечения, воздействующих на эту сигнальную сеть.
«Чтобы разрабатывать препараты, нацеленные на эти белки, нам нужно понять, как они работают и как взаимодействуют с другими частями клетки», — говорит Рэйчел Грин, руководитель исследования.
Результаты, опубликованные 19 ноября в журнале Nature, стали итогом более двух лет работы по определению формы, структуры и функции белка ZAK.
Грин специализируется на изучении рибосом — макромолекулярных машин, которые перемещаются по матричной РНК (mRNA) и синтезируют белки. При повреждении клетки УФ-светом или других стрессах (дефицит питательных веществ, токсины) рибосомы могут «застревать», что приводит к их столкновениям и остановке трансляции. Этот «затор» активирует путь риботоксического стресса, опосредованный белком ZAK.
«Клетка узнает о проблеме через рибосомы», — отмечает Грин, чья команда еще в 2020 году обнаружила, что столкновения рибосом активируют ZAK.
Новые эксперименты были проведены, чтобы понять, как ZAK «взаимодействует напрямую с рибосомами, чтобы почувствовать, когда что-то идет не так с трансляцией белка, и передать сигнал дальше», — говорит Виенна Хьюзо, аспирант из лаборатории Грина и первый автор исследования.
Для этого команда использовала культивируемые человеческие клетки, в которых искусственно повысила продукцию неактивной формы ZAK. Затем с помощью препарата, вызывающего остановку рибосом на mRNA, ученые индуцировали столкновения рибосом и активацию ZAK. Активированный белок, связанный с рибосомами, был выделен с помощью молекулярной метки.
Образцы с активированным ZAK были отправлены коллегам в LMU, где с помощью крио-электронной микроскопии (cryo-EM) удалось визуализировать белок и определить его 3D-структуру.
После двух лет работы и сотен образцов команда получила данные, раскрывающие структуру примерно трети белка ZAK.
Анализ показал, что более половины последовательности ZAK, вероятно, не имеет упорядоченной структуры («как спагетти»). Эта часть может действовать как «щупальце», позволяющее белку удерживаться и обнаруживать столкнувшиеся рибосомы. Две половинки ZAK, по-видимому, образуют мостик, соединяющий две столкнувшиеся рибосомы.
Исследование выявило несколько специфических взаимодействий ZAK с рибосомой:
- C-конец ZAK связывается с рибосомой независимо от состояния столкновения и осуществляет столкновительно-специфичные взаимодействия с рибосомальной рРНК (экспансионными сегментами).
- Участок RIM в средней части белка ZAK взаимодействует с белком RACK1 на рибосоме, что приводит к активации ZAK при столкновениях.
Новые данные о работе ZAK могут углубить понимание и других киназ — белков, которые, как переключатели, добавляют химические группы к другим белкам. Большинство препаратов, нацеленных на киназы, связываются с участками, вызывающими побочные эффекты.
«Теперь, когда мы больше знаем об устройстве этих специализированных сайтов в белке ZAK, мы можем более специфично разрабатывать препараты, нацеленные на него», — говорит Грин.
В дальнейшем команда планирует определить полную структуру ZAK, чтобы глубже понять механизм его активации и выяснить, чем белок занимается, когда не связан со столкнувшимися рибосомами.