Нанотрубочный метод показал механизм транспорта шаперонных белков на уровне одной молекулы
Белки контролируют большинство функций организма, и их сбой может иметь тяжелые последствия, такие как нейродегенеративные заболевания или рак. Поэтому в клетках существуют механизмы контроля качества белков.
В клетках животных и человека шапероны класса Hsp70 находятся в центре этой системы контроля, регулируя широкий спектр биологических процессов. Однако, несмотря на их ключевую роль, точный молекулярный механизм работы шаперонов Hsp70 оставался неясным на протяжении десятилетий.
Используя передовую нанотрубочную технику работы с одиночными молекулами, команда из Женевского университета (UNIGE) в сотрудничестве с EPFL совершила значительный прорыв в определении того, как шапероны Hsp70 генерируют силу, необходимую для изменения структуры их белков-клиентов. Эти результаты, которые ставят точку в десятилетних дебатах, опубликованы в Nature Communications.
Белки должны сворачиваться в определенные трехмерные структуры, чтобы функционировать правильно. Среди своих функций шаперонные белки, такие как Hsp70, помогают правильному сворачиванию белков. Для успешного выполнения этих задач Hsp70 должны с усилием манипулировать структурой белков, извлекая их из агрегатов или способствуя транслокации белков в ключевые компартменты клетки, такие как митохондрии.
В 1990-х и начале 2000-х годов велась интенсивная дискуссия о механизме, позволяющем шаперонам Hsp70 осуществлять транслокацию белков. Было предложено две основные модели, основанные на разных экспериментах, но окончательного ответа не было.
В 2006 году профессор Паоло Де Лос Риос из EPFL и профессор Пьер Голубинофф из Университета Лозанны (UNIL) и их коллеги предложили новую теорию под названием Энтропийное Тянущее Усилие (Entropic Pulling). Эта теория могла объяснить все существующие наблюдения за транслокацией белков в митохондрии, а также другие клеточные функции Hsp70, такие как разборка белковых агрегатов.
Экспериментальное подтверждение
С годами эта теория позволила интерпретировать растущее число результатов, но оставалась без прямого экспериментального подтверждения.
Группа профессора Чань Цао, нового ассистент-профессора на факультете науки UNIGE, специализируется на биоанализе одиночных молекул, в частности, на нанотрубочной детекции. Этот инновационный подход включает считывание ионного тока, когда одиночная молекула проходит через нанопору, которая может быть как биологическим белковым комплексом, встроенным в липидную мембрану, так и искусственным материалом.
В своей последней работе команда использовала нанотрубочную технологию, чтобы смоделировать in vivo условия транслокации белка на уровне одной молекулы. Профессор Чань Цао пояснила: «Наши результаты предоставляют четкие доказательства механизма Энтропийного Тянущего Усилия для шаперонов Hsp70, исключая две другие ранее предложенные модели, а именно «Силовой Удар» (Power Stroke) и «Броуновскую Храповую Муфту» (Brownian Ratchet)».
Сильное усилие на молекулярном уровне
В механизме Энтропийного Тянущего Усилия шаперон, потянув за целевой белок, увеличивает диапазон его движения, генерируя так называемую энтропийную силу. Верена Рукес, аспирант и ведущий автор исследования, объясняет: «Наш анализ оценил силу Энтропийного Тянущего Усилия примерно в 46 пН на расстояниях 1 нм, что указывает на необычайно сильное усилие на молекулярном уровне».
Профессор Паоло Де Лос Риос из Института физики и Института биоинженерии EPFL заявляет: «Наша теория, предложенная в 2006 году, учитывала большую часть физики системы, включающей Hsp70, транслоцируемый белок и пору транслокации, но в итоге она оставалась теорией, даже если косвенно согласовывалась с большинством наблюдений. Благодаря прекрасной работе профессора Чань Цао и ее команды у нас теперь есть прямое доказательство этого и, что наиболее важно, количественная оценка его силы, которая оказывается удивительно высокой, что дополнительно объясняет, почему Hsp70 так эффективны в изменении структуры своих белков-мишеней».
Важно, что это исследование устанавливает нанотрубочные подходы как мощный метод работы с одиночными молекулами для изучения молекулярных механизмов действия белков.