Структура и функция машины для транспорта и сборки гема
Гем — важнейший компонент белка гемоглобина, окрашивающего кровь в красный цвет, а также цитохромных белков, обеспечивающих клетку энергией. Его используют люди, животные, растения и бактерии.
Транспорт гема через мембраны для его встраивания в гемоглобин и цитохромы было сложно изучить, так как этот процесс транзиентный (быстрый и не оставляющий следов), а мембранные белки, связывающие гем, трудно очистить в больших количествах.
В исследовании, опубликованном 20 декабря в Nature Chemical Biology, учёные из Вашингтонского университета в Сент-Луисе впервые описали структуру бифункционального белка CcsBA, который транспортирует гем и присоединяет его к цитохромам. Работа под руководством Роберта Кранца зафиксировала две конформационные состояния этого бактериального и хлоропластного белка, что позволило охарактеризовать ферментативный механизм.
"Эта работа раскрывает структурную основу функционирования машины CcsBA, показывая основные динамические переключения, происходящие во время цикла транспорта гема", — сказал Кранц.
Исследование стало возможным благодаря сотрудничеству с командой Джеймса Фитцпатрика. Они использовали передовую методику крио-электронной микроскопии (cryo-EM) и одночастичный анализ для получения 3D-карт плотности белка в витрифицированном (замороженном) состоянии.
"Cryo-EM — это трансформационная технология, которая позволяет визуализировать структурную организацию белка почти на атомном уровне, включая возможность вычленить разные конформации из ансамбля состояний", — отметил Фитцпатрик.
Данные cryo-EM выявили два состояния, в которых связана одна или две молекулы гема. Построенные структурные модели показывают, что CcsBA захвачен с гемом в двух разных конформациях: закрытой и открытой.
"Одно из самых интересных открытий — то, что при транспорте гема открывается большая камера для синтеза цитохрома c", — сказал Кранц.
Со-первый автор Динна Л. Мендес отметила: "В CcsBA мы наблюдаем чёткий путь между трансмембранными альфа-спиралями, который может позволять гему перемещаться от сайта связывания в мембране к внешнему сайту. Поскольку гем движется по градиенту концентрации при экспорте, мы не предполагаем необходимости в источнике энергии для этого процесса".
Со-первый автор Итан Лоудер, студент старшего курса, работавший над проектом два года, отметил сложность решения новой структуры белка, для которой не было шаблонов.
Второй автор, Дастин Тиллман (бывший студент бакалавриата), сыграл ключевую роль в очистке CcsBA и оптимизации проб для cryo-EM, а также показал, что очищенные препараты являются активными синтазами.
"Я благодарен за вклад наших талантливых студентов-исследователей в эту работу, поддержанную NIH. Это исследование — кульминация более чем трёх десятилетий изучения транспорта гема и сборки цитохромов в нашей лаборатории. Теперь, зная структурную основу обоих процессов, мы можем перейти к новым экспериментам по механизмам открытия камеры, транспорта и синтазной реакции в ней", — заключил Кранц.