Структуры TMEM16 показывают, как один белок может переносить и липиды, и ионы

Два исследования на млекопитающих и грибковых белках семейства TMEM16, проведённые группой Кристины Паулино из Университета Гронингена (Нидерланды) и коллегами из Университета Цюриха (Швейцария), раскрыли, как структуры этих белков объясняют их функцию. Результаты опубликованы 12 марта в двух статьях в журнале eLife.

В 2008 году было установлено, что кальций-активируемые хлоридные каналы принадлежат к семейству TMEM16. «Эти каналы потенциально можно использовать для лечения муковисцидоза», — говорит Паулино. Однако из 10 генов TMEM16 в геноме человека только два кодируют хлоридные каналы, а остальные — скрамблазы, белки, перемещающие фосфолипиды между слоями липидного бислоя.

Асимметрия и сигнализация

Липидный состав клеточных мембран асимметричен: внутренний и внешний монослои содержат разные фосфолипиды. Скрамблазы нарушают эту асимметрию. «Это может быть очень сильным сигналом, — объясняет Паулино. — Например, появление липидов с внутренней стороны мембраны снаружи может служить сигналом к гибели клетки или, в случае липидной скрамблазы TMEM16F, инициировать свёртывание крови в тромбоцитах». Некоторые из этих скрамблаз также действуют как неселективные ионные каналы.

Ранее, сравнив крио-ЭМ структуру TMEM16A (исключительно канал) с рентгеновской структурой грибковой скрамблазы nhTMEM16, учёные поняли, как схожая архитектура может выполнять разные задачи. В структуре скрамблазы наблюдалась доступная для мембраны полость, по которой могут скользить липиды, а в структуре хлоридного канала эта борозда была закрыта, образуя пору для диффузии ионов.

Регуляция кальцием и динамика состояний

Оставались вопросы: как скрамблазы регулируются кальцием и как некоторые из них одновременно облегчают транспорт ионов? Изучая млекопитающий белок TMEM16F, играющий ключевую роль в свёртывании крови, исследователи решили структуры с кальцием и без него. Однако ни одна из крио-ЭМ структур не показала «открытого» состояния с полостью для транспорта.

Тогда учёные вернулись к изучению грибкового nhTMEM16. Эти эксперименты оказались успешнее: были обнаружены открытое состояние с бороздой для транспорта липидов, закрытое состояние и промежуточное состояние, которое может позволять транспорт ионов. «Все три состояния мы нашли в присутствии кальция, который должен индуцировать открытое состояние. Это показывает, что структура высокодинамична, с равновесием между разными состояниями», — отмечает Паулино. Это также означает, что помимо кальция должен существовать дополнительный фактор, регулирующий активность TMEM16.

Эволюция функции

Исследования показывают, что ситуация не чёрно-белая: множественные конформации белка находятся в динамическом равновесии. В полностью открытом состоянии они работают как скрамблазы, а в промежуточном состоянии могут транспортировать ионы. Это позволяет предположить, что эти белки изначально были скрамблазами, но некоторые из них эволюционировали в чистые ионные каналы, возможно, благодаря мутациям, стабилизирующим промежуточную форму.

«Это исследование вновь подтверждает мощь крио-ЭМ как инструмента, — заключает Паулино. — Оно позволило нам изучить динамику активной структуры и увидеть множество различных состояний белка».