Как ферменты строят сахарные деревья
Исследователи впервые использовали криоэлектронную микроскопию для выяснения структуры и функции очень маленького фермента, встроенного в клеточные мембраны. Этот фермент строит сложные сахарные деревья (гликаны), которые затем присоединяются к другим мембранным белкам. Результаты могут ускорить разработку новых белковых лекарств.
Многие мембранные белки эукариотических клеток украшены сложными сахарными деревьями — гликанами. Эти структуры чрезвычайно разнообразны и служат для идентификации организма, типа клетки или стадии её зрелости. Например, различные группы крови у человека отличаются именно гликанами.
Особый класс гликанов образуют сложные сахара, присоединённые к липидам. В биологии они известны как липид-связанные олигосахариды (lipid-linked oligosaccharides, LLOs). LLOs состоят из молекулы жира, встроенной в клеточную мембрану, и сахарной структуры, которая простирается либо в просвет клеточных органелл, либо во внеклеточное пространство.
Исследователи из ETH Zurich, Университета Берна и Университета Чикаго впервые выяснили структуру одного из ферментов, ответственных за образование LLOs. Их исследование опубликовано в журнале Nature.
Модульная архитектура белка
Изучаемый фермент, известный как ALG6, принадлежит к суперсемейству ферментов, которые исследователи называют гликозилтрансферазами категории C. Встроенные в клеточные мембраны, они связывают простые молекулы сахара с другими сахарами для построения сахарных деревьев, а также присоединяют сахара к белкам. Гликозилтрансферазы играют ключевые биологические роли в организмах — от бактерий и грибов до высокоразвитых млекопитающих.
Это суперсемейство долгое время оставалось загадкой для биологов, потому что его отдельные члены почти не имеют общих структурных мотивов. Их объединяет только то, что они являются мембранными белками, переносящими сахара с одной молекулы на другую, и что используемые для этого переноса сахара всегда присоединены к липидам.
На основе структуры ALG6 группа под руководством профессора ETH Каспара Лохера обнаружила, что члены этого семейства ферментов имеют модульный дизайн. ALG6 и его родственники состоят из двух модулей: одного, чья структура сохраняется в ходе эволюции, и второго, структурно изменчивого модуля.
«Мы считаем, что именно этот модульный дизайн помог этим ферментам эволюционировать в разных направлениях и, в свою очередь, адаптироваться к большому разнообразию различных субстратов», — говорит ведущий автор исследования, докторант ETH Йоэль Блох.
Результаты наконец объясняют механизм работы этого семейства ферментов. «Наше исследование имеет далеко идущие последствия для клеточной биологии и для производства терапевтических веществ на основе гликобиологии», — поясняет Блох. Эти идеи будут особенно ценны для инженерии антител, что сейчас представляет большой интерес для фармацевтической промышленности, а также для производства кастомизированных гликанов в целом, важных для терапевтических белков, таких как антитела.
Рекорд в криоэлектронной микроскопии
Исследователи также рассматривают свои результаты как прорыв в определении молекулярных структур белков с помощью криоэлектронной микроскопии (cryo-EM). В 2017 году швейцарский исследователь Жак Дюбоше получил Нобелевскую премию по химии за свой вклад в эту революционную технологию, которая с тех пор стала методом выбора для структурного изучения крупных молекулярных комплексов.
Однако определение структур небольших белков, особенно встроенных в мембраны, с высоким разрешением с помощью cryo-EM было невозможно, поскольку измерения частиц ниже определённой массы не позволяют проводить точные структурные расчёты.
Совместно с исследовательской группой из Университета Чикаго команда ETH нашла решение этой проблемы. Они создали синтетическое антитело, которое связывается с ALG6. Это антитело увеличило массу фермента ALG6, что позволило определить его структуру с высоким разрешением с помощью cryo-EM.
«С нашим подходом мы в настоящее время держим мировой рекорд по самому высокому структурному разрешению, полученному для мембраносвязанного комплекса такого размера», — с долей гордости говорит Лохер. Он объясняет, что этот прогресс в cryo-EM позволит многим другим учёным выяснить структуры небольших мембранных белков: «Наш подход прокладывает путь научному сообществу для быстрого прогресса в изучении мембранных белков, связанных с широким спектром заболеваний».
Хемо-ферментативный инструментарий
В дополнение к этому, исследователи ETH в сотрудничестве с химиками из Университета Берна разработали методы синтеза высокосложных липид-связанных олигосахаридов (LLOs) в лаборатории — чего нельзя было достичь с помощью обычных методов органического синтеза.
В результате учёные получили новое представление о важном клеточном пути биосинтеза LLOs, что помогло им объяснить, как клетки строят сложные гликаны. «Это веха в гликобиологии, которая может лечь в основу будущих исследований многих гликобиологов и производства гликопротеинов», — заключает Лохер.