Карта "покетома": исследование описывает вселенную сайтов связывания белков у разных видов

Белки выполняют свои многочисленные функции через физические взаимодействия с другими молекулами, в частности, с малыми молекулами клетки, такими как метаболиты. Эти взаимодействия происходят на специфических сайтах связывания (binding pockets) на поверхности белков.

Учёные из Института молекулярной физиологии растений Общества Макса Планка провели систематический анализ всех сайтов связывания — "покетома" (pocketome) — у 11 видов из разных царств жизни. Цель — изучить разнообразие и масштабирование числа сайтов связывания относительно количества белков у каждого вида.

Биоинформатики Ханне Цилльмер и Дирк Вальтер использовали более 220 000 AI-предсказанных белковых структур из базы данных AlphaFold и сложные вычислительные инструменты для детекции сайтов связывания. Они идентифицировали почти 100 000 потенциальных сайтов связывания у 11 видов.

Учёные сравнили и сгруппировали эти сайты внутри и между видами, построив глобальную "карту" сайтов связывания и их характеристик. Среди проанализированных протеомов были протеомы человека, мыши, дрожжей, кишечной бактерии E. coli, нематоды, а также ключевых сельскохозяйственных культур — риса и кукурузы. Исследование опубликовано в журнале PLOS Computational Biology.

"Доступность AI-предсказанных и надёжных белковых структур, сгенерированных AlphaFold, теперь позволяет проводить структурные исследования с беспрецедентной широтой и глубиной", — говорит аспирант Ханне Цилльмер.

Исследование выявило удивительную эволюционную тенденцию: по мере того как у организмов эволюционировали более сложные протеомы (совокупность всех белков вида), разнообразие их сайтов связывания увеличивалось сублинейно. Проще говоря, хотя количество белков росло с эволюцией, количество уникальных сайтов молекулярного взаимодействия увеличивалось менее чем пропорционально. Это указывает на возможные пределы или ограниченную потребность в структурных и функциональных инновациях.

"Мы ожидали, что больше белков будет означать пропорционально большее разнообразие сайтов взаимодействия, — говорит профессор биоинформатики доктор Дирк Вальтер. — Но вместо этого эволюция, похоже, либо ограничена в создании совершенно новых сайтов связывания, либо существует ограниченная потребность в радикально новых режимах взаимодействия".

"Теперь, когда доступно это всестороннее представление о покетомах разных видов, систематическое исследование молекулярных взаимодействий между белками и малыми молекулами, а также понимание видовых или царств-специфичных режимов связывания значительно облегчено", — отмечает Ханне Цилльмер.

Более того, исследование вносит межвидовую перспективу, которой до сих пор не хватало в этой области. В то время как большинство предыдущих исследований фокусировались на биомедицинских приложениях и "пригодности для создания лекарств" (druggability) сайтов связывания или различиях между связыванием лекарство-белок и метаболит-белок, это исследование подчёркивает эволюционные тенденции и структурное разнообразие по всему древу жизни. Межвидовые сравнения, например, также помогут в разработке более безопасных агрохимикатов, которые специфично нацелены на патогены, но неактивны в отношении опылителей или человека.