Клетки целенаправленно разрушают гигантские белковые кристаллы

Исследователи из Института наук о мозге RIKEN в Японии создали флуоресцентный белок, который быстро собирается в крупные кристаллы внутри живых клеток, и показали, что клетки активно нацеливаются на эти кристаллы для деградации. Беспрецедентный размер и чистота этих кристаллов позволили проанализировать структуру белка непосредственно внутри неповрежденной клетки. Ученые смогли наблюдать процесс кристаллизации и реакции клетки в реальном времени, что потенциально может изменить производство и изучение белковых кристаллов.

В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Molecular Cell, группа под руководством доктора Ацуси Мияваки генетически модифицировала флуоресцентный белок, способный к быстрой самосборке в хорошо сформированные монокристаллы — высокоупорядоченные структуры, состоящие из повторяющихся единиц — в живых клетках млекопитающих. Работа основана на образце флуоресцентного коралла из Окинавы.

Ученые выделили ген, кодирующий зеленый флуоресцентный белок KikG, и изменили его структуру так, чтобы цвет менялся с зеленого на красный при воздействии света определенной длины волны. Однако, к удивлению, они наблюдали появление крупных микронных флуоресцентных кристаллов в клетках, продуцирующих этот белок, который они назвали Xpa.

До кристаллизации белки Xpa зеленого цвета равномерно распределены по клетке. Видеозапись процесса показывает, что крупный флуоресцентный кристалл появляется внезапно в течение одного кадра — интервала в десять минут, — но фактический процесс происходит намного быстрее, всего за минуту. Как только начинается кристаллизация, отдельные белки Xpa быстро присоединяются к растущему кристаллу, пока цитоплазма клетки не становится прозрачной.

По словам Мияваки, это открытие стало удачей, поскольку способность кристаллизовать белки позволяет определять их атомную структуру. Обычно создание кристалла, достаточно большого для анализа, требует недель или месяцев, а иногда кристаллы не образуются вовсе. В отличие от этого, кристаллы, выращенные командой RIKEN, появлялись за минуты и были настолько чистыми, что их можно было исследовать непосредственно в клетке на установке SPring-8. Это первый подобный успех в клетках животных, открывающий путь к анализу структуры белка прямо внутри клеток.

Вторым интригующим открытием стало то, что клетки пытались избавиться от кристаллов с помощью процесса, известного как аутофагия. «Возможно, существует эволюционное давление, препятствующее образованию кристаллов в клетках млекопитающих», — говорит Мияваки. Группа обнаружила, что кристаллы быстро покрывались мембранной структурой — лизосомой, кислым пищеварительным компартментом клетки. Обычно белки эффективно расщепляются лизосомой, однако, поскольку Xpa изначально происходит из коралла, кристаллы не могли быть переварены и оставались в клетке.

Мияваки полагает, что внутри клеток могут существовать неоткрытые белковые кристаллы, которые могут быть полезными или вредными для клетки, но оставались незамеченными из-за отсутствия флуоресценции. «Могут существовать сходства между кристаллизацией белка Xpa и образованием патогенных белковых агрегатов при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, — сказал доктор Мияваки. — Мы надеемся разработать системы флуоресцентного детектирования роста кристаллов для скрининга молекул, влияющих на реакцию клетки на патогенные белковые агрегаты, в надежде, что это приведет к медицинским достижениям в будущем».