Ученые использовали передовые микроскопы для изучения распада белков в клетках

Белки — это строительные блоки всего живого. Их синтез и функции хорошо изучены, но не менее важен обратный процесс — их разрушение. В 2004 году Аарон Чехановер, Аврам Хершко и Ирвин Роуз получили Нобелевскую премию по химии за открытие механизма деградации белков.

Этот процесс строго контролируется. Белки, подлежащие утилизации, помечаются молекулярной меткой — убиквитином, а затем поступают в протеасомы (клеточные "шредеры"), где расщепляются на мелкие фрагменты. Процесс убиквитинирования (присоединения убиквитина) играет ключевую роль в делении клеток, репарации ДНК и иммунном ответе.

В новом исследовании, опубликованном в Nature 17 ноября 2021 года, ученые из Чикагского университета с помощью передовой электронной микроскопии изучили этот процесс детальнее. Они описали структуру ключевого фермента, участвующего в убиквитинировании у дрожжей. Этот фермент — часть клеточного механизма N-degron pathway, который, возможно, определяет скорость деградации до 80% аналогичных белков у человека. Сбои в этом пути ведут к накоплению поврежденных или неправильно свернутых белков, что лежит в основе старения, нейродегенерации и некоторых редких аутосомно-рецессивных заболеваний. Поэтому его изучение открывает возможности для разработки терапии.

Команда под руководством Минглэй Чжао, доктора философии и доцента биохимии и молекулярной биологии, исследовала E3-лигазу Ubr1. У пекарских дрожжей Ubr1 инициирует убиквитинирование, присоединяя убиквитин к белкам и наращивая его в цепь (полимер). Полимеры, известные как основа синтетических материалов (например, пластика), также образуются в природе, когда крупные молекулы (в данном случае убиквитин) соединяются в повторяющиеся субъединицы.

"До этого исследования мы мало знали о том, как структурно формируются полимеры убиквитина, — сказал Чжао. — Теперь мы начинаем понимать, как он сначала присоединяется к белку-субстрату, а затем как полимеры формируются специфическим образом. Это веха в понимании полиубиквитинирования на почти атомном уровне".

В работе команда использовала методы химической биологии, чтобы смоделировать начальные этапы присоединения убиквитина к белкам. Затем был применен нобелевский метод — крио-электронная микроскопия (крио-ЭМ). Этот метод предполагает мгновенную заморозку белковых растворов и использование мощного электронного микроскопа для получения изображений отдельных молекул. Прорыв в аппаратном и программном обеспечении около 10 лет назад позволил получать изображения с гораздо более высоким разрешением. В 2017 году Жак Дюбоше, Йоахим Франк и Ричард Хендерсон получили Нобелевскую премию по химии за разработку крио-ЭМ, которая позволяет "заморозить" биологический процесс в действии.

Команда Чжао воспользовалась инвестициями в $10 млн от Отдела биологических наук в Центр передовой электронной микроскопии. С помощью крио-ЭМ им удалось описать структуру нескольких промежуточных ферментных комплексов, участвующих в пути деградации. Это поможет в поиске способов направленного воздействия на белки лекарствами или коррекции нарушений в процессе их утилизации.

"Крио-ЭМ — это захватывающе, потому что после обработки данных появляется новая, никогда ранее не виданная структура, — отметил Чжао. — Теперь мы можем использовать полученные знания и перенастроить ферменты, вводя малые молекулы или смеси пептидов, чтобы разрушать нужные нам белки".