Структурная геномика ускоряет определение структуры белков

Мембранные белки имеют огромное биологическое и фармацевтическое значение. Однако до сих пор существует лишь несколько случаев, когда их точная структура была успешно определена. Учёным из Колумбийского университета (Нью-Йорк) и Технического университета Мюнхена удалось установить структуру важного ионного канала с помощью анализа родственных белков. Об их открытиях сообщает последний выпуск журнала Nature.

Функции белка в клетке определяются его трёхмерной пространственной структурой (третичной структурой). Установление этой структуры представляет большую проблему для учёных. Чтобы ускорить прогресс, Национальный институт общих медицинских наук (NIGMS) Национальных институтов здравоохранения США (NIH) за последние десять лет инвестировал более 500 миллионов долларов в эту область в рамках Инициативы по изучению структуры белков (Protein Structure Initiative).

Профессор биоинформатики Буркхард Рост и Марко Пунта, младший научный сотрудник Института перспективных исследований (IAS) ТУ Мюнхена, участвуют в этом масштабном проекте в рамках Консорциума Нью-Йорка по структуре мембранных белков (NYCOMPS). Учёные NYCOMPS уделяют особое внимание мембранным белкам, поскольку они играют ключевую роль в фармакологических исследованиях.

Однако экспериментальная расшифровка третичной структуры мембранных белков особенно сложна. Хотя около 25% всех белков являются мембранными, на их долю приходится менее 1% от общего числа белков с известной структурой. Структуры мембранных белков представлены в 25 раз меньше.

Поскольку экспериментальный анализ мембранного белка может занимать до нескольких лет, учёные NYCOMPS применили биоинформатическую стратегию — так называемое гомологическое моделирование. Основное предположение этой стратегии заключается в том, что белки с общими эволюционными предшественниками похожи как по аминокислотным последовательностям, так и по трёхмерной структуре. Если структуру одного из родственных белков можно определить экспериментально, остальные можно предсказать.

В случае бактериального мембранного белка TehA учёным удалось собрать все части пазла. «В ходе скрининга мы искали родственные TehA мембранные белки, сравнивая десятки тысяч аминокислотных последовательностей. Используя многоступенчатый процесс отбора, мы выбрали 43 белка из 38 различных организмов», — говорит биоинформатик Марко Пунта.

Учёным из Колумбийского университета удалось экспериментально определить с помощью рентгеновской кристаллографии третичную структуру мембранного белка TehA бактерии Haemophilus influenzae. С разрешением 0.12 нанометров (1.2 Å) эта структура является одной из лучших кристаллических структур, когда-либо полученных для мембранного белка. Кроме того, эксперимент преподнёс сюрприз: мембранный белок TehA имеет совершенно неизвестную ранее укладку (fold).

После изучения «семейства TehA» учёные из Колумбийского университета смогли смоделировать структуру растительного мембранного белка SLAC1. Сравнив её с экспериментально полученной структурой белка TehA, они построили структурную модель для SLAC1 — полностью без экспериментов, используя только биоинформатические методы.

«Наша цель — высокая пропускная способность определения структур, то есть определение большего количества белковых структур за меньшее время, особенно для мембранных белков. Полученные результаты показывают, что эта стратегия может работать и для мембранных белков», — говорит Буркхард Рост.

Трёхмерные структуры определяются, чтобы идентифицировать функцию белков с помощью мутагенезных тестов. Хотя мембранные белки TehA и SLAC1 являются лишь отдалёнными родственниками (совпадение аминокислотной последовательности составляет всего 19%), предсказанная третичная структура SLAC1 была настолько хороша, что позволила выдвинуть новую гипотезу о функции этого белка.

SLAC1 находится в устьицах растения Arabidopsis thaliana. Устьица контролируют обмен водяным паром и углекислым газом между растением и окружающей средой, что очень важно для фотосинтеза. Мембранный белок SLAC1, являясь частью анионного канала, влияет на тургорное давление и, следовательно, на газообмен растительной клетки в ответ на такие факторы окружающей среды, как засуха и высокая концентрация CO₂.

Анионные каналы SLAC1 совершенно новы как по структуре, так и, по-видимому, по механизму проведения ионов. Пора SLAC1 имеет относительно равномерный диаметр, но посередине путь блокирует фенилаланиновая группа. Результаты предполагают, что эта аминокислота отворачивается, когда ионный канал активируется связыванием с белком-триггером.