Структурная биология достигла успеха со снимком белка
В знаковом техническом достижении исследователи из Центра структурной биологии Вандербильта использовали методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для определения структуры самого крупного на сегодняшний день мембранного белка.
Хотя методы ЯМР обычно используются для «создания молекулярных снимков» небольших белков, крупные белки, особенно те, что находятся в клеточной мембране, до сих пор плохо поддавались изучению.
В выпуске журнала Science от 26 июня Чарльз Сандерс, доктор философии, профессор биохимии, и его коллеги сообщают о структуре, полученной методом ЯМР, для крупного бактериального белка диацилглицеролкиназы (DAGK). Это комплекс из трёх субъединиц, каждая из которых трижды пересекает мембрану (всего девять трансмембранных сегментов).
Успех группы в определении структуры DAGK методом ЯМР позволяет предположить, что теперь аналогичные методы можно использовать для изучения структур других мембранных белков.
«Мы берём методы, которые использовали для диацилглицеролкиназы, и применяем их к высокоценным мишеням, таким как G-белок-сопряжённые рецепторы», — сказал Сандерс.
G-белок-сопряжённые рецепторы — крупнейшее семейство сигнальных белков клетки — являются мишенями примерно для половины всех фармацевтических препаратов. Сандерс сотрудничает с другими исследователями из Вандербильта, чтобы изучить структуру этих рецепторов, используя как ЯМР, так и дополнительный структурный подход — рентгеновскую кристаллографию.
DAGK может быть терапевтической мишенью при некоторых типах бактериальных инфекций. Этот белок является фактором вирулентности у бактерии Streptococcus mutans, вызывающей кариес.
Сандерс выбрал DAGK в качестве модели для изучения мембранных ферментов, когда 17 лет назад основал свою собственную исследовательскую лабораторию. DAGK — это самая маленькая из известных киназ (белков, которые добавляют химические группы, называемые фосфатами, к другим молекулам), и она не похожа ни на один другой известный белок.
Структура DAGK, по словам Сандерса, «подтвердила, что это действительно странная киназа». Фермент имеет структуру, похожую на крыльцо, с широким входом для своего субстрата диацилглицерола и активным центром на «вершине крыльца».
«Активный центр не похож ни на один другой активный центр киназы — это уникальная архитектура», — отметил Сандерс.
Исследователи также провели исчерпывающие исследования мутагенеза, в ходе которых охарактеризовали мутации в каждой аминокислоте DAGK и использовали эти данные, чтобы сопоставить активный центр фермента со структурой. Они выявили два набора мутаций, которые приводили к неработоспособности DAGK. Один набор изменял активный центр так, что он переставал выполнять свою функцию, а второй набор вызывал неправильное сворачивание белка (мисфолдинг).
Сандерс сообщил, что команда была удивлена, обнаружив, что почти все мутации, вызывавшие мисфолдинг, находились в активном центре. Ожидалось, что мутации в активном центре приведут к потере функции, но обычно не повлияют на сворачивание белка, в то время как ключевые остатки для сворачивания будут расположены в других частях белка, формируя каркас для активного центра.
«Наше исследование показывает, что нельзя делать такое предположение», — заявил он.
Сандерс предостерегает, что исследователи не могут просто предсказать влияние мутации, основываясь на её расположении в активном центре. Это открытие имеет значение для персонализированной медицины, которая стремится использовать прогнозируемое влияние болезнетворных мутаций для принятия решений о терапии.
«Терапевтическая стратегия борьбы с катастрофическим мисфолдингом в сравнении с простой потерей функции может быть совершенно разной», — пояснил Сандерс.
Сандерс и его команда, которые заинтересовались сворачиванием белков благодаря работе с DAGK, теперь занимаются структурными исследованиями неправильно свёрнутых мембранных белков, вызывающих заболевания, включая периферическую нейропатию (болезнь Шарко-Мари-Тута), несахарный диабет и болезнь Альцгеймера.
«Для белков, которые неправильно сворачиваются из-за мутаций, мы используем инструменты ЯМР, чтобы понять, что именно мутации делают с белками с точки зрения структуры и стабильности», — сказал Сандерс. — «Мы считаем, что это понимание приведёт к прогнозам о том, как можно вмешаться и избежать неправильного сворачивания».
Источник: Медицинский центр Университета Вандербильта