Криоэлектронная микроскопия раскрывает новые детали клеточной системы ремонта

Мембрана, окружающая клетки живых организмов, чрезвычайно гибкая и чувствительная. Учёные из Исследовательского центра Юлиха с помощью криоэлектронной микроскопии получили новые данные о том, как она защищается от повреждений и обновляется. Их работа опубликована в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

Ключевые белки: Vipp1 и PspA

  • Мембранный белок Vipp1, известный из фотосинтетического аппарата растений, водорослей и бактерий, может формировать различные структуры для стабилизации и укрепления клеточной мембраны.
  • В родственном исследовании, опубликованном в том же журнале, были получены новые данные о функции похожего белка PspA, встречающегося у бактерий.
  • Оба белка необычайно пластичны и могут образовывать кольца и трубки разного диаметра.

Функция и уязвимость мембраны

Клеточная мембрана выполняет множество важных функций: защита внутренней среды клетки, транспорт питательных веществ и сигналов. Однако она очень уязвима, так как состоит из тонкого слоя липидов, подверженных физическому (давление, растяжение) и химическому стрессу, включая УФ-излучение и токсины.

В растительных клетках, например, интенсивный свет может повреждать мембраны хлоропластов, где происходит фотосинтез. Белки вроде Vipp1 жизненно важны для защиты и ремонта этих мембранных структур.

Новые открытия о механизме действия Vipp1

Благодаря современным криоэлектронным микроскопам учёные выяснили, как Vipp1 взаимодействует с мембраной:

  1. Он образует на мембране ковровые структуры, стабилизируя её.
  2. Формирует кольцевые комплексы и трубки, заполненные мембраной. Эти структуры потенциально могут "отшнуровывать" повреждённые участки мембраны и соединять две отдельные мембраны.

Значение открытий и перспективы

  • Полученные данные объясняют, как белки Vipp1 и PspA изменяют клеточные мембраны, защищая жизненно важные процессы. Это важно, поскольку Vipp1 участвует в формировании и поддержании тилакоидных мембран в хлоропластах, где происходит световая реакция фотосинтеза.
  • Базовый механизм оказался высоко схож с механизмом работы белков ESCRT-III, которые также высоко консервативны в клетках человека. Их неизменность в ходе эволюции указывает на важнейшую функцию.
  • Лучшее понимание структуры и функции этих белков может привести к разработке новых лекарств (например, антибиотиков), нацеленных на процессы в клеточных мембранах, а также к биотехнологическим применениям — производству биоматериалов или оптимизации фотосинтеза у растений.

Методология

В обоих исследованиях использовались криоэлектронные микроскопы Центра Эрнста Руски (ER-C) в Юлихе. Они позволили изучить белки с атомарным разрешением, наблюдать их в необычно большом числе структурных состояний и взаимодействие с мембранами. Работа выполнена в сотрудничестве с исследовательской группой проф. Дирка Шнайдера из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце.