Новые детали передачи стимулов в живых организмах

Исследователи раскрыли новые детали о том, как клетки в живом организме обрабатывают стимулы. Исследование, частично финансируемое Швейцарским национальным научным фондом (SNSF), фокусируется на так называемых G-белках, которые помогают передавать внешние стимулы, достигающие клетки, в её внутреннюю среду. Используя технику, разработанную в Институте Пауля Шеррера (PSI), авторы исследования обнаружили, какие части G-белков жизненно важны для их функционирования. В частности, они показали, что лишь несколько аминокислот — строительных блоков белка — оказывают основное влияние на их функцию. Другие же аминокислоты можно изменить, не нарушая функцию белка. Новые данные значительно улучшают понимание таких процессов, как сенсорное восприятие и гормональная активность, и помогают в разработке новых лекарств. Исследователи из PSI, ETH Zurich, фармацевтической компании Roche и британской MRC Laboratory of Molecular Biology сообщают о своих результатах в журналах Nature и Nature Structural and Molecular Biology.

Как это работает

Передача сигнала запускается G-белково-сопряжёнными рецепторами (GPCR). Например, белок родопсин в клетках сетчатки активируется при попадании света в глаз и действует как переключатель, передающий сигнал на G-белки внутри клетки. Те усиливают сигнал и передают его дальше. Аналогично работает пара рецептор адреналина — G-белок в мышечных клетках при стрессе. Новое исследование раскрывает детали активации этих белков, что применимо и к другим процессам, таким как обоняние и вкус.

Ключевые аминокислоты

G-белок, изученный в работе, состоит из 354 аминокислот. Чтобы выяснить механизм его активации, учёные заменили каждую из этих аминокислот на другую и измерили влияние замены на степень активации белка.

Анализ измерений показал, что только небольшая группа из примерно двадцати аминокислот играет главную роль в активации G-белка, — объясняет Давэй Сунь, проводивший эксперименты в рамках своей докторской диссертации в PSI. Замена именно этих ключевых аминокислот существенно влияла на активацию, в то время как замена остальных не давала значимого эффекта.

Влияние этих аминокислот проявилось в изменении формы одного из участков G-белка, который в неактивном состоянии напоминает развёрнутую серпантинку (спиральную структуру). Когда ключевые аминокислоты меняли, эта структура теряла свои обычные изгибы, — поясняет Дмитрий Вепринцев, ведущий исследователь исследования из PSI. Это позволило продемонстрировать, что спиральная структура исчезает, по крайней мере временно, во время активации G-белка.

Универсальный механизм и значение для медицины

Обнаруженный механизм является универсальным и работает не только в изученном G-белке, но и во всех G-белках. Это подтверждается масштабными компьютерными расчётами, опубликованными в Nature.

Это знание значительно помогает в разработке лекарств, действующих через активацию рецептора GPCR и соответствующего G-белка, — объясняет Гебхард Шертлер, глава исследовательского отдела биологии и химии PSI. Потенциальная польза велика: около 30% всех существующих лекарств уже оказывают свой эффект именно таким образом.

Метод, использованный в исследовании, можно в будущем применить и к другим важным белкам, чтобы понять механизмы их активации.