Молекулярный флешмоб

Транспортеры нейромедиаторов — одни из самых изучаемых транспортных белков, играющих ключевую роль в обработке сигналов в мозге. Совместное исследование TU Wien и Венского медицинского университета впервые успешно продемонстрировало структурное влияние липидов мембраны на медицински значимый серотониновый транспортер (SERT).

Мембрана клетки состоит из липидного бислоя. Липиды — хорошие химические и электрические изоляторы, идеально подходящие для разделения внутренней и внешней среды клетки. Однако мембраны также содержат множество белков, некоторые из которых регулируют контролируемый обмен веществами. Хотя большинство белков могут свободно перемещаться в липидных слоях, они часто обнаруживаются в группах. Связи между белками могут быть фиксированными и постоянными, или молекулы белков могут собираться, расходиться и снова собираться в другой конфигурации. Исследовательские интересы групп под руководством проф. Герхарда Шютца (Институт прикладной физики, TU Wien) и проф. Харальда Зитте (Институт фармакологии, Венский медицинский университет) касаются механизмов этих взаимодействий, что может пролить свет на функционирование клеточной мембраны и встроенных в неё мембранных белков.

Отслеживание молекул

Из-за своего размера молекулы белков не видны невооруженным глазом, поэтому для их отслеживания необходим микроскоп. Однако задача состоит в том, чтобы выделить именно интересующие белки из множества других в клетке. «Вместе с проф. Харальдом Зитте нас особенно интересует серотониновый транспортер (SERT) — белок, важный для захвата нейромедиатора серотонина в мозге. Чтобы наблюдать его под микроскопом, он помечен флуоресцентной биомолекулой — «зелёным флуоресцентным белком» (GFP)», — объясняет проф. Шютц. Методом молекулярной биологии GFP объединяют с SERT, и он действует как цветной маркер. «Метод микроскопии одиночных молекул позволяет нам по силе сигнала от наблюдаемых точек света определить, движется ли молекула сама по себе или вместе с другими молекулами того же типа».

Как биофизика, Шютца интересует не только факт совместного перемещения белков, но и то, почему две молекулы «слипаются», то есть как работают лежащие в основе механизмы взаимодействия. PIP2 (фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат) — центральная сигнальная молекула, преимущественно находящаяся на внутренней стороне клеточной мембраны. Она идеально связывается с SERT, что имеет удивительные последствия. При низкой концентрации PIP2 олигомеризация SERT ведёт себя как ожидалось: низкие концентрации SERT в основном дают мономеры, а высокие приводят к образованию олигомеров. «Мы не только видим большое количество олигомеров, но и знаем, что они обмениваются молекулами друг с другом», — говорит Шютц о своих исследованиях. Однако при высоком уровне доступного PIP2 всегда образуются олигомеры в среднем одинакового размера, независимо от концентрации SERT. «Как будто белки SERT зафиксированы в предопределённой конфигурации».

Исследование кластерообразования

Чтобы исследовать механизмы этого удивительного образования олигомеров, нужно заглянуть внутрь клетки. Одна из её областей — эндоплазматический ретикулум — действует как место производства всех мембранных белков, включая SERT. Он фактически не содержит PIP2, а значит, SERT должен иметь там разный уровень олигомеризации в зависимости от своей концентрации. Это действительно наблюдалось. «Мы предполагаем, что SERT олигомеризуется после производства в эндоплазматическом ретикулуме, но этот процесс изначально обратим. Только когда белок достигает клеточной мембраны, предопределённый уровень олигомеризации фиксируется PIP2», — говорит Шютц.

«Эти наблюдения подтверждаются специфическими изменениями белковой структуры, которые мы внесли в серотониновый транспортер», — говорит Зитте. «Мы смогли чрезвычайно точно определить положение точечных мутаций с помощью компьютерных моделей, созданных доктором Томасом Штокнером в рамках этого исследования. Мутировавшие молекулы SERT демонстрируют поведение, которое делает почти невозможным такое «блокирование». Медицинская значимость нашего наблюдения заключается в важности олигомеризации для действия различных психостимуляторов, таких как амфетамины: они могут оказывать эффект только при наличии достаточного количества связанных молекул SERT в мембране».