Учёные обнаружили микроскопический шлюзовой механизм в клеточной транспортной системе

Объёмные глобулярные белки требуют специализированных транспортных систем для встраивания в мембраны. Исследователи из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) впервые определили структуру такой системы и предполагают, что она использует принцип шлюза.

Многие белки, необходимые для жизнеспособности клетки, должны транспортироваться через мембраны внутриклеточных органелл, таких как митохондрии, чтобы достичь мест своего действия. Как правило, трансмембранный транспорт происходит до того, как вновь синтезированный белок свернётся в свою окончательную функциональную форму, так как развёрнутая форма может быть выдавлена через относительно узкую пору. Прохождение свёрнутых белков — более сложная операция. Они занимают больше места, поэтому пора должна быть соответственно больше.

Бактерии и хлоропласты используют для этой цели специальные туннели. Хотя митохондрии эволюционно родственны бактериям, у них отсутствует такой тип отверстия. Тем не менее, им удаётся перенести один важный белок в его свёрнутом состоянии через свою внутреннюю мембрану. Теперь исследователи под руководством профессора Роланда Бекмана из Генцентра LMU сообщили о данных, которые предполагают, что митохондрии выполняют эту сложную задачу, используя принцип шлюза. Результаты описаны в статье в журнале Nature Structural and Molecular Biology.

Белок Риске (названный Rip1 у пекарских дрожжей) относится к классу «железо-серных» белков и является жизненно важным компонентом процесса, позволяющего митохондриям генерировать АТФ, который служит универсальным донором энергии для биохимических реакций в клетках. Rip1 синтезируется в форме предшественника цитоплазматическими рибосомами и транспортируется в развёрнутом состоянии через внешнюю и внутреннюю мембраны органеллы в компартмент, известный как матрикс. Здесь он процессируется с образованием белка Rip1. Включение «железо-серного центра» затем позволяет ему принять свою функциональную конформацию. Однако теперь этот глобулярный белок должен быть встроен обратно во внутреннюю мембрану.

«Предыдущие работы наших коллег Вальтера Нойперта и Николы Вагенера показали, что у дрожжей в этом заключительном этапе участвует фермент под названием Bcs1», — говорит Лукас Катер, ведущий автор статьи. «Мы теперь определили 3D-структуру этого фермента с помощью крио-электронной микроскопии. Фактически, это первая опубликованная высокоразрешающая структура эукариотического транслокатора для свёрнутых белков».

Имея подробную карту конфигурации фермента, команда приступила к расшифровке того, как Bcs1 избирательно опосредует прохождение свёрнутой формы Rip1 через внутреннюю мембрану, не позволяя другим молекулам или ионам проскользнуть через пору.

Bcs1 принадлежит к классу ферментов, называемых AAA-АТФазами. Они обычно состоят из шести идентичных субъединиц, которые вместе образуют пору в форме кольца. Однако структурные данные для Bcs1 показали, что он состоит из семи субъединиц и, следовательно, образует более крупную пору. Но это ещё не всё: пора разделена на две чётко определённые камеры. Одна из них доступна непосредственно из матрикса митохондрии, а другая расположена внутри внутренней мембраны. Ключевым моментом является то, что они соединены центральным доменом, который образует уплотнение между ними, — которое, однако, может временно открываться, как продемонстрировала команда.

«Поэтому мы предполагаем, что транспорт через Bcs1 использует принцип шлюза», — говорит Бекман. Белок Риске сначала проходит через большую пору и попадает в матричную камеру. Это вызывает конформационное изменение в Bcs1, которое заставляет уплотнение между двумя камерами открыться, позволяя Rip1 войти в шлюз — камеру внутри внутренней мембраны. На следующем этапе уплотнение, разделяющее две камеры, снова образуется. «Мы предполагаем, что шлюз затем открывается, обеспечивая доступ к выходу, который позволяет домену, содержащему железо-серный центр, выйти в межмембранное пространство», — добавляет Катер.

Результаты исследования не только дают представление о функции и механизме действия Bcs1, но также должны пролить свет на ряд митохондриальных заболеваний, связанных с ним, таких как синдром GRACILE, который может привести к ранней постнатальной смерти, и синдром Бьёрнстада, связанный с потерей слуха. Наличие высокоразрешающей структуры белка должно позволить понять, почему связанные с этими заболеваниями мутации имеют такие разрушительные последствия.