Белок KdpD — два датчика в одном

Поглощение калия бактериями регулируется одним белком, который одновременно чувствует концентрацию этого катиона как внутри клетки, так и во внешней среде, и в соответствии с этим контролирует экспрессию соответствующего транспортного белка.

Бактерии выживают в изменчивых условиях благодаря способности чувствовать и адаптироваться к изменениям доступности питательных веществ и необходимых минералов. Эту задачу выполняют рецепторные или сенсорные белки, расположенные в цитоплазматической мембране. Они отслеживают параметры среды и передают информацию регуляторным белкам, которые опосредуют необходимый клеточный ответ. Биологи из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) под руководством профессора Кирстен Юнг в сотрудничестве с физиками из Технического университета Мюнхена (TUM) под руководством профессора Ульриха Герланда выяснили механизм, с помощью которого сенсорный белок KdpD регулирует поглощение катионов калия (K+) в ответ на изменения среды. Поразительно, что этот рецептор способен одновременно чувствовать концентрацию свободных ионов калия как внутри, так и снаружи клетки — двойная стратегия, особенно выгодная в средах, где эти параметры могут часто меняться. Новые результаты опубликованы в журнале Cell Reports.

Калий необходим для множества клеточных функций, таких как регуляция осмотического давления и внутриклеточного pH. Точный контроль уровня калия внутри клетки жизненно важен для выживания. Бактерии должны справляться с тем, что доступность калия в их среде может варьироваться в широком диапазоне. Кроме того, потребность клетки в калии зависит от скорости её роста — быстро делящиеся клетки требуют больше катиона, чем медленно растущие. Столкнувшись с этими проблемами, сенсорный белок калия KdpD тем не менее обеспечивает поддержание внутриклеточной концентрации калия на должном уровне. Если внешняя концентрация калия низкая, KdpD действует как «киназа», быстро присоединяя фосфатную группу к регуляторному белку KdpE в цитоплазме клетки. Фосфорилированная форма KdpE, в свою очередь, запускает синтез многокомпонентного транспортера (KdpFABC), который опосредует высокоаффинное поглощение калия в клетку. С другой стороны, когда клетка насыщена калием, KdpD функционирует как «фосфатаза» и удаляет фосфатную группу с KdpE, тем самым инактивируя его и предотвращая теперь уже избыточное производство транспортера.

Два в одном

«То, как именно регулируется эта двойная активность KdpD, было неясно», — говорит Кирстен Юнг. KdpD — трансмембранный рецептор, белок, пронизывающий цитоплазматическую мембрану, и он имеет два пространственно разделенных сайта связывания для калия. Один расположен снаружи цитоплазматической мембраны и доступен только внеклеточному калию, а другой находится по другую сторону мембраны и взаимодействует только с внутриклеточным калием. Таким образом, рецептор может отслеживать уровни катиона по обе стороны плазматической мембраны. Юнг и её коллеги показали, что связывание калия с внешним сайтом распознавания приводит к ингибированию киназной активности KdpD. Более того, если внутриклеточный сайт связывания занят, то KdpD переключается в режим фосфатазы.

«Таким образом, клетка может активировать синтез калиевого транспортера не только тогда, когда внешняя концентрация катиона снижается, но и когда потребность клетки в нём возрастает — просто настраивая соотношение между киназной и фосфатазной активностью. Этот механизм позволяет точно контролировать внутриклеточный уровень калия в условиях колебаний как доступности, так и потребности в ионе», — объясняет Юнг. «Тот же принцип управления можно найти в современных системах отопления, которые регулируют внутреннюю температуру с помощью внутренних и внешних термометров. Но в отличие от системы отопления, которая использует два отдельных датчика, природа изобрела решение «всё в одном», в котором обе сенсорные функции обеспечиваются одним и тем же белком». Исследователи ожидают, что другие рецепторы, контролирующие важные физиологические процессы, также используют этот механизм двойного действия, и планируют выявить и охарактеризовать больше представителей этого класса.