Множественные механизмы селективности трансмембранного транспорта

Исследователи из LMU использовали биофизический подход, чтобы понять, как бактериальные импортные белки связывают и селективно проводят свои грузы через мембраны. Результаты выявили неожиданно широкое разнообразие механизмов переноса.

Многие важные клеточные функции зависят от селективного поглощения или экспорта специфических грузов через мембраны. Эти жизненно важные задачи выполняют специализированные мембраносвязанные транспортные белки. Такие транспортеры необходимы для импорта питательных веществ из окружающей среды, удаления токсичных продуктов или защиты патогенов. Как и в любом импортно-экспортном бизнесе, ключевой аспект этих процессов — выбор подходящих субстратов. Биофизик LMU профессор Торбен Кордес и его команда исследовали, как представители важного класса транспортных белков — бактериальные ABC-импортеры — выбирают свои предпочтительные грузы. Они идентифицировали широкий спектр механизмов связывания, которые во многом зависят от того, что один домен транспортеров демонстрирует удивительную степень структурной гибкости. Новые результаты опубликованы в онлайн-журнале eLife.

Транспорт бактериальными ABC-импортными системами начинается с распознавания молекулы-кандидата специфическим субстрат-связывающим белком (SBP). Успешное связывание изменяет трёхмерную структуру связывающего белка из открытой в закрытую конформацию. Ранее предполагалось, что конформационное изменение, индуцированное связыванием субстрата, диктует селективность транспорта, позволяя нагруженному SBP взаимодействовать с субъединицей-транспортером, ответственной за перенос субстрата через мембрану. "Однако были различные указания на то, что некоторые молекулы связываются с SBP с высоким сродством, но впоследствии не транспортируются через мембрану", — говорит Кордес. "Чтобы исследовать взаимосвязь между связыванием и транспортом, мы использовали спектроскопический метод, характеризующий как структурные изменения, так и динамику, вызванные связыванием различных субстратов, и спросили, способствуют ли они селективности поглощения субстрата бактериальными транспортными системами".

Методология, применённая Кордесом и его коллегами Бертом Пулманом (Гронинген, Нидерланды) и Кристофером МакДевиттом (Мельбурн, Австралия), отличается от классических подходов структурной биологии, направленных на определение трёхмерной структуры целых белков с их партнёрами по связыванию и без них. Вместо этого они использовали метод одномолекулярного флуоресцентного резонансного переноса энергии (smFRET). Он позволяет измерять расстояние между двумя флуоресцентными красителями, химически присоединёнными к определённым позициям в белке. Таким образом, метод позволяет отслеживать сдвиги в конформационных состояниях SBP и имеет большое преимущество: взаимодействия многих различных субстратов с одним и тем же SBP можно быстро охарактеризовать. С помощью этого подхода было показано, что SBP в ABC-системах удивительно гибки. "Не существует единой, чётко определимой закрытой конформации, которая активирует транспорт", — говорит Кордес. Вместо этого связывающие белки способны принимать ряд активирующих и неактивирующих конформаций".

В некоторых случаях связывание транспортируемых и нетранспортируемых субстратов приводит к очень похожим конформациям. В таких случаях факторы, отличные от конформации связывающего белка, должны определять селективность транспортного шага. "Наши результаты раскрывают неожиданное разнообразие механизмов селекции транспорта в этих белках", — говорит Кордес. "Мы надеемся, что это понимание внесёт вклад в фундаментальное понимание механизмов, используемых ABC-транспортерами. Такое понимание также может представлять медицинский интерес, поскольку изученные нами связывающие белки специфичны для бактериальных клеток. На основе наших выводов, возможно, удастся разработать новые антибиотики".