Ускоренная укладка белков в полости шаперона GroEL: новый механизм

Исследователи из AMOLF под руководством профессора Сандера Танса впервые проследили за отдельной белковой цепью внутри полости шаперона GroEL и обнаружили механизм ускорения сворачивания белка. Цепь аминокислот втягивается в открытую полость шаперона, где она коллапсирует и сворачивается. Результаты важны для понимания клеточного контроля над белками и болезней укладки. Исследование опубликовано в Science Advances.

"Механизмы ускорения сворачивания ранее не были показаны ни для одной белковой системы. Это, пожалуй, самое красивое белковое исследование, которое мы когда-либо проводили в нашей лаборатории. Высоко неожиданный механизм, и все наблюдения и контрольные измерения идеально совпадают", — сказал Танс.

Как полость сворачивает белок?

Правильная укладка (фолдинг) критически важна для всех белков. Однако процесс формирования правильной трёхмерной формы сложен и может пойти не так, что приводит к образованию вредных агрегатов. Шапероны помогают в фолдинге, но оставался открытым ключевой вопрос: только ли они предотвращают агрегацию или также ускоряют сам процесс сворачивания, и если да, то как?

Чтобы изучить этот вопрос, Танс и его коллеги сфокусировались на шапероне GroEL, который имеет полость, закрываемую партнёром GroES. Предполагалось, что цепи сворачиваются под давлением в закрытой полости или происходит распутывание неправильно свёрнутых белков, но механизм ускорения оставался спорным.

Метод одиночной молекулы

Исследователи продемонстрировали новый механизм ускорения фолдинга. "Используя метод одиночной молекулы, мы впервые смогли проследить за отдельными белковыми цепями, когда они входят в полость GroEL. Мы увидели нечто поразительное: развёрнутая цепь с силой втягивалась в камеру GroEL, где она коллапсировала. Затем она почти мгновенно принимала правильную структуру, даже те белки, которые обычно сворачиваются очень медленно", — объясняет Танс.

Для экспериментов использовались оптические пинцеты: концы аминокислотной цепи прикрепляли к двум микронным бусинам, которыми можно манипулировать лазерными лучами, измеряя расстояние между концами белка.

При добавлении шаперона GroEL в раствор учёные наблюдали, как концы цепи сближаются: сначала постепенно (коллапс цепи внутри полости), затем быстро (фолдинг почти всех аминокислот в правильное положение).

Интуитивное объяснение и контрольные эксперименты

"Этот механизм даёт интуитивное объяснение ускорению фолдинга, потому что аминокислоты сначала должны сблизиться, чтобы свернуться. Мы впервые показываем, что этот коллапс усиливается и регулируется в клетке шаперонами", — говорит Танс.

Исследователи провели исчерпывающий набор контрольных экспериментов:

• Удаление C-концевых хвостов внутри полости GroEL снизило вероятность фолдинга, подтвердив, что коллапс и укладка происходят внутри полости.
• GroES ("крышка") не требовался для ускорения самой медленной стадии фолдинга, но был критически важен для формирования полноценного белка и его выброса из полости. Это показывает, что механизм отличается от стерического удержания (конфайнмента).
• Прикрепление флуоресцентной метки к GroEL и сканирование лазерным лучом показало, что шаперон находится точно между бусинами, к которым прикреплён белок, непосредственно перед фолдингом.

Значение и перспективы

Регуляция коллапса белков через этот механизм, вероятно, является более общей стратегией шаперонов. "Мы предполагаем, что наш механизм модуляции коллапса может использоваться во всей системе контроля качества белков, включая человеческий гомолог TRiC. Он также может играть роль в контроле фазового разделения белков, где гидрофобный коллапс также важен", — отмечает Танс.

Тот факт, что скорость коллапса и фолдинга белка может регулироваться, проливает новый свет на болезни, связанные с укладкой и агрегацией белков, такие как БАС (белок FUS) или дегенеративные заболевания мозга (тау-белок), открывая новые пути для их изучения.