Исследование методом крио-ЭМ показало, что у переносчика цинка есть встроенный саморегулирующийся сенсор
Учёные из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США определили атомную структуру белка-переносчика цинка — молекулярной машины, регулирующей уровень этого важнейшего микроэлемента внутри клеток. Структура, описанная в статье в Nature Communications, показывает, как этот мембранный белок меняет форму, чтобы перемещать цинк из окружающей среды в клетку, и временно блокирует это действие, когда уровень цинка внутри клетки становится слишком высоким.
«Цинк важен для многих биологических процессов, но его избыток может быть проблемой», — сказал руководитель проекта биофизик Цюнь Лю. «Наше исследование первым показало, что переносчик, контролирующий поступление цинка из среды, может регулировать собственную активность».
Исследование проводилось в рамках Инициативы по количественным наукам о растениях (QPSI). Используя бактериальную версию переносчика цинка, имеющую ключевые черты сходства с растительными переносчиками, учёные получили важные данные о работе этих белков.
«Эта работа — часть наших усилий понять, как растения поглощают микроэлементы вроде цинка, чтобы создавать растения, лучше растущие на маргинальных землях для производства биоэнергии», — отметил соавтор работы Джон Шэнклин.
Исследование также может подсказать пути создания пищевых культур с повышенным содержанием цинка для улучшения их питательной ценности.
Крио-ЭМ плюс вычисления
Для определения структуры белка команда использовала крио-электронную микроскопию (крио-ЭМ) в Лаборатории биомолекулярной структуры (LBMS). Этот метод позволяет изучать множество различных конформаций белка, а не одну кристаллизованную форму.
«Крио-ЭМ не требует кристаллизации белков, поэтому мы можем зафиксировать динамические стадии, недоступные для рентгеновской кристаллографии. По сути, мы можем захватить больше "кадров фильма"», — пояснил Лю.
Для анализа множества структурных вариаций учёные использовали мощные вычислительные инструменты, включая методы искусственного интеллекта и машинного обучения. Алгоритмы позволили полуавтоматически отобрать и отсортировать миллионы изображений крио-ЭМ, чтобы найти группы сходных структур и достичь максимально возможного разрешения, раскрывающего атомные детали.
Этот подход выявил ключевые особенности одной из стадий работы переносчика цинка типа ZIP (Zrt-/Irt-like protein), показывающие, как он регулирует свою активность по поглощению цинка в зависимости от его уровня в клетке.
«Наши новые данные заставили нас пересмотреть прежние представления о работе этого белка», — сказал Лю.
Наклон для входа, чувствительность для остановки
Предыдущие исследования на основе рентгеновской кристаллографии предполагали, что переносчик может работать как "лифт". Новое исследование показывает, как взаимодействие с цинком по обе стороны клеточной мембраны запускает движение частей белка для переноса цинка в клетку и, что критически важно, блокирует его поступление при избытке внутри.
«Наша ключевая структура показывает, что когда уровень цинка в клетке поднимается выше необходимого, избыток цинка связывается с петлёй на внутренней стороне мембраны. Затем эта гибкая петля меняет ориентацию, складывается и связывается таким образом, что блокирует вход цинка в клетку», — объяснил Лю.
«Это почти как пробка, которая затыкает слив ванны», — добавил Шэнклин.
Учёные также выяснили, как движутся другие части белка, чтобы позволить цинку войти.
Когда уровень цинка в клетке низкий, цинк отсоединяется от петли, и "пробка" выходит из переносчика. Цинк из среды может переместиться в переносчик. Внутри него цинк заставляет часть белковой машины подняться и наклониться, закрывая выход во внешнюю среду. После того как цинк попадает в клетку, машина сбрасывается для новой работы.
«Наша структура, полученная методом крио-ЭМ, впервые показывает, как этот петлевой домен белка модулирует активность переносчика по принципу обратной связи в зависимости от уровня цинка», — сказал Лю.
Это также первая структура, показывающая, что данный переносчик цинка представляет собой димер — комплекс из двух идентичных белков. «Для работы требуются две молекулы», — отметил Лю.
Учёные полагают, что димерная форма может быть связана с функцией или стабильностью белка, что они планируют изучить в будущем с помощью компьютерного моделирования.
«Это исследование может открыть новые пути для конструирования переносчиков цинка у микроорганизмов и растений, чтобы оптимизировать их рост в условиях дефицита или избытка цинка, потенциально на маргинальных землях для производства биоэнергии и биопродуктов», — заключил Лю.