Раскрыт механизм работы критически важного фермента в клетке
S-ацилирование — это процесс химического связывания липида с белком через тиоэфирную связь. Это важный клеточный процесс, регулирующий локализацию и функцию многочисленных белков. Он способствует ассоциации белка с липидными мембранами, например, с плазматической мембраной, аппаратом Гольджи или внутренней ядерной мембраной.
Как и большинство биохимических процессов в клетке, S-ацилирование белков обратимо. Обратный процесс — деацилирование — осуществляют ферменты ацилпротеинтиоэстеразы (APTs).
Для своей работы APTs должны взаимодействовать с липидными мембранами, к которым прикреплены их белки-мишени. Однако, несмотря на центральную роль APTs в важном процессе ацилирования/деацилирования, о том, как они выполняют свои функции, известно мало.
Ученые под руководством Жизу ван дер Гут и Маттео Даль Пераро из Школы наук о жизни EPFL значительно продвинулись в понимании того, как работает APT2 — одна из основных ацилтиоэстераз в клетке. Работа опубликована в Nature Chemical Biology.
Врожденная способность связываться с мембраной
Исследователи показали, что APTs обладают собственной способностью связываться с мембраной. Комбинируя рентгеновскую кристаллографию и молекулярно-динамическое моделирование, они выявили, что в структуре APTs есть положительно заряженные участки, которые позволяют им электростатически притягиваться к липидному бислою мембраны.
Команда также обнаружила слабо гидрофобную петлю на поверхности APTs, названную «β-язычком». Она позволяет ферменту осуществлять гидрофобные взаимодействия с мембраной. Ученые синтезировали мутанты APT2 с дефектным β-язычком и выяснили, что они теряют способность связываться с мембранами. Это привело к выводу, что способность APT2 (и, по аналогии, других тиоэстераз) связывать мембраны опосредована последовательностью β-язычка.
Встроенный механизм контроля и саморегуляции
Анализируя структуру APT2, исследователи также идентифицировали сайт, который может приводить к его деградации. Этот сайт позволяет ферменту связываться с убиквитином — белком, которым клетка маркирует молекулы для разрушения. По сути, APT2 содержит встроенный механизм контроля собственной деградации, но это может произойти только после того, как его мишень деацилирована и APT2 высвобождается. В качестве альтернативы, после выполнения одной задачи APT2 может переместиться к другой мембране, связаться с ней и деацилировать другой белок.
Роль аутоацилирования APT2
Далее ученые исследовали S-ацилирование самого APT2. Предыдущие исследования показали, что фермент сильно накапливается в аппарате Гольджи — органелле, которая упаковывает новые белки в везикулы перед отправкой к клеточной мембране.
Используя другой мутант APT2, исследователи определили, что это накопление зависит от S-ацилирования самого APT2 по аминокислоте цистеину в его последовательности (Cys2). Таким образом, S-ацилирование по Cys-2 необходимо для того, чтобы APT2 мог стабильно связываться с липидными мембранами и деацилировать свои мишени в клетке.
Команда также провела поиск возможных ферментов-кандидатов, способных ацилировать APT2. Для этого они проскринировали все пальмитоилтрансферазы. Результаты показали, что APT2 может быть S-ацилирован одной из двух пальмитоилтрансфераз: ZDHHC3 или ZDHHC7.
Трехступенчатый механизм связывания с мембраной
Объединив данные, ученые выяснили, как именно APT2 связывается с липидными мембранами, что необходимо для выполнения его функции.
Оказалось, что APT2 связывается с мембранами в три этапа:
- Дальнодействующие электростатические взаимодействия притягивают фермент (через его положительные участки) к липидной мембране.
- β-язычок «погружается» в мембрану и временно удерживает APT2 на месте. Это необходимо, чтобы фермент мог «встретиться» с ферментами, которые его ацилируют.
- Стабильное связывание ацилированного APT2 с мембраной, после чего он готов выполнять свои деацилирующие функции.
«Это исследование показывает, что APT2 на самом деле является гибридом между белком-переносчиком липидов, который может извлекать липид из мембран, и гидролазой, которая может отрезать липид от белка», — говорит Жизу ван дер Гут.