Высокотехнологичная микроскопия раскрыла структуру и функцию ключевого метаболического фермента

Фермент трансгидрогеназа играет центральную роль в регуляции метаболических процессов у животных и человека. Его дисфункция может приводить к серьёзным расстройствам. Впервые структурные биологи из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) визуализировали и проанализировали атомную структуру этого фермента с помощью недавно установленного высококлассного крио-электронного микроскопа. Исследование, представленное в журнале Nature, важно для разработки пока недоступных терапевтических подходов.

Внутри каждой клетки митохондрии непрерывно расщепляют молекулы, полученные из пищи, для выработки энергии и производства новых молекул, служащих строительными блоками клеток. Баланс этих двух противоположных процессов обеспечивает фермент протон-транслоцирующая трансгидрогеназа, или NNT (никотинамиднуклеотид трансгидрогеназа). NNT находится в мембране митохондрий и использует электрохимический протонный градиент, генерируемый клеточным дыханием, чтобы обеспечить митохондрии нужным количеством кофермента NADPH — жизненно важного метаболического предшественника.

Правильное функционирование NNT критически важно для метаболической регуляции у всех животных, включая человека. Однако детали того, как NNT осуществляет скоординированный перенос протонов через мембрану и синтез NADPH, оставались неясными из-за отсутствия знаний об атомной структуре фермента. Домен Кампют, аспирант IST Austria, и его научный руководитель, профессор Леонид Сазанов, впервые визуализировали молекулу млекопитающего NNT в таком масштабе, который позволил определить структурные принципы работы «ворот» протонного канала фермента и глубже понять его функционирование (и дисфункцию).

Атомный анализ фермента NNT стал возможен благодаря использованию современных технологических достижений в крио-электронной микроскопии (cryo-EM), так называемой «революции разрешения». Часть данных для этого исследования была получена с помощью нового крио-электронного микроскопа, установленного в IST Austria осенью 2018 года.

Анализ NNT методом cryo-EM, потребовавший трудоёмкой обработки изображений, позволил получить изображения трёх различных доменов молекулы в различных конформационных состояниях с разрешением, близким к атомному.

Открытие ворот для протонов — и новых методов лечения

На основе этих изображений структурные биологи показали, как домен, связывающий NADPH, может открывать протонный канал к любой из сторон митохондриальной мембраны. Первый автор Домен Кампют говорит: «NNT изучают уже несколько десятилетий, но классические методы визуализации, такие как рентгеновская кристаллография, не позволяли детально рассмотреть его структуру из-за её высокой динамичности. Кроме того, мембранные белки, такие как NNT, особенно сложно изучать, поскольку они хрупкие и их трудно очистить в больших количествах, необходимых для кристаллографии. Таким образом, только с помощью cryo-EM мы наконец смогли чётко увидеть, как работает перенос протонов, и найти недостающий элемент головоломки на пути к пониманию, что делать, если он не работает».

Профессор Леонид Сазанов добавляет: «Эти структуры особенно интересны, потому что трансгидрогеназа выполняет удивительный разворот, поворачивая целый, довольно большой, NADPH-связывающий домен на 180 градусов «вверх» или «вниз». Насколько нам известно, это уникально среди изученных механизмов ферментов. Однако такой поворот теперь имеет полный смысл в свете предложенного нами механизма и показывает, как природа может «творчески» решать сложные задачи».

Результаты являются важным шагом на пути к разработке новых методов терапии. Например, создание пока недоступных ингибиторов NNT имеет большой терапевтический потенциал в отношении метаболических дисфункций, включая метаболический синдром, и некоторых видов рака.