Молекулярная машина разрывает токсичные белковые сгустки

Исследователи из AMOLF в Амстердаме и Гейдельбергского университета выяснили, как шаперон ClpB может принудительно вытягивать экспонированные петли белковых цепей из белковых агрегатов. Результаты опубликованы в Nature.

Белки — это длинные цепи аминокислот, которые сворачиваются в организме. Ошибки в сворачивании могут приводить к образованию агрегатов — клубков белков, подобных запутанному клубку ниток. Эти агрегаты могут повреждать клетку и связаны со старением и болезнью Альцгеймера.

Молекулярные машины для уборки

Организмы имеют "службу уборки" для таких агрегатов — белки-шапероны. Известно, что семейство шаперонов Hsp100, к которому относится ClpB, может растворять белковые агрегаты, но механизм не был измерен напрямую.

Исследование показало, что кольцеобразный белок ClpB принудительно протягивает петли белковых цепей через свою центральную пору. Такие петли присутствуют на поверхности белковых сгустков. Сам сгусток слишком велик, чтобы пройти через пору, поэтому ClpB вытягивает отдельные белковые цепи из агрегата одна за другой. После извлечения цепь может снова свернуться и функционировать нормально.

Вытягивание с помощью света

Исследователи использовали оптические пинцеты (лазерные лучи), чтобы захватить оба конца белковой цепи через пластиковые шарики. Измеряя длину цепи, они могли определить, растянута она или компактно свернута.

После добавления шаперона ClpB к растянутой цепи расстояние между её концами постепенно сокращалось, пока они не оказались рядом. Это наблюдение показало, что цепь протягивается через кольцевой ClpB. Эксперименты с мутациями внутри поры подтвердили, что именно она ответственна за двигательную активность.

Визуализация ClpB

Чтобы напрямую наблюдать за движением, к шаперону присоединили флуоресцентную молекулу. Несмотря на то что движения были меньше длины волны света, их удалось увидеть.

ClpB прикреплялся к случайному участку растянутой белковой цепи и мог тянуть к себе как левый, так и правый конец цепи, или оба одновременно. Обе "ветви" петли могли протягиваться через кольцо одновременно.

"ClpB достигает этого с помощью крошечных приводных рычагов внутри поры, называемых петлями поры. ClpB может двигать этими рычагами вверх-вниз, как маленькими пальцами, используя молекулы топлива ATP, которые также производят клетки. Мы обнаружили, что они работают рывками: сначала несколько рычагов толкают последовательно, затем следует пауза, вероятно, для связывания новых молекул ATP", — говорит Сандер Танс.

Быстро и эффективно

"Мы теперь продемонстрировали, что ClpB принудительно тянет. Шаперон работает как мотор, который распутывает агрегированные белки, вытягивая экспонированные петли белковых цепей. Он продолжает тянуть, пока белок полностью не будет протянут через пору", — объясняет Танс.

Следующим шагом будет исследование человеческих шаперонов и белков. Хотя в принципе это открывает путь к разработке лекарств, например, от болезни Альцгеймера, на практике всё сложнее. Сначала нужно лучше понять, как эти машины работают в клеточном контексте, поскольку ClpB может также повреждать нормальные белки.

Способность ClpB вытягивать белковые петли предполагает, что другие белки могут делать то же самое в иных клеточных процессах, например, при разрушении повреждённых белков для создания новых — в "круговой экономике" клетки.