Исследование убиквитина раскрывает новые детали работы клеточной "маркировочной машины"

Убиквитинлигазы регулируют множество процессов в живых клетках. В зависимости от того, сколько молекул убиквитина и каким образом они присоединяют к белкам-мишеням, они контролируют судьбу белка.

"Код убиквитина может направлять белки-мишени к определённым участкам действия в клетке, активировать их, запускать их включение в белковые комплексы или их деградацию", — объясняет Соня Лоренц, руководитель исследовательской группы "Специфичность убиквитиновой сигнализации" в MPI. Крайне важно, чтобы убиквитинлигазы надёжно распознавали соответствующие белки среди десятков тысяч молекул и передавали правильный код.

Как работает это молекулярное распознавание — ключевой фокус исследований Лоренц и её команды. "Мы хотим раскрыть структурные принципы этого специфического распознавания и показать, как они позволяют различным убиквитинлигазам контролировать определённые процессы", — говорит биохимик. Эти знания важны не только для понимания роли убиквитинлигаз в нормальных или патологически изменённых процессах в живых клетках. Они также помогают сделать убиквитиновую систему более доступной для терапевтического применения.

Динамичная убиквитиновая система

Однако наблюдать убиквитинлигазы в связанном с их белками-мишенями состоянии сложно. "Убиквитиновая система задумана как высокодинамичная", — говорит Лоренц. "Поэтому лежащие в её основе взаимодействия очень слабы и кратковременны". Тем не менее, группе удалось визуализировать такое взаимодействие между убиквитинлигазой HACE1 и её основным белком-мишенью — медиатором сигнала RAC1.

Исследователи использовали для этого химическую уловку. "С помощью химического сшивания мы смогли стабилизировать комплекс в нужный момент, чтобы сделать его доступным для структурных исследований с помощью крио-электронной микроскопии", — говорит руководитель исследовательской группы. В сотрудничестве с Центром крио-электронной микроскопии MPI под руководством Кристиана Диенеманна команде впервые удалось получить "моментальный снимок" полноразмерного комплекса HACE1–RAC1.

С помощью дополнительных биофизических и функциональных экспериментов команда Лоренц обнаружила, что особая архитектура убиквитинлигазы обеспечивает специфичность взаимодействия HACE1 с её белком-мишенью. Их исследования показывают, что убиквитинлигаза формирует платформу, на которой позиционируется белок-мишень. Это позволяет лигазе надёжно распознавать свой белок-мишень и отличать его от других белков. HACE1 также может определять, находится ли RAC1 в активном или неактивном состоянии. Это критически важно, потому что RAC1 должен быть помечен убиквитином только в своей активной форме.

Однако сама убиквитинлигаза HACE1 также может находиться в активном или неактивном состоянии, сообщают Йонас Дюринг и Мадита Вольтер, соавторы статьи, опубликованной в Nature Structural & Molecular Biology. "Две молекулы HACE1 могут связываться друг с другом, образуя комплекс, так называемый димер, и таким образом выключать себя", — объясняет Дюринг. Вольтер добавляет: "HACE1 активна только в виде одиночной молекулы. Димеризация, следовательно, является важным регуляторным механизмом".

"Если HACE1 перестаёт функционировать правильно в клетке или отсутствует вовсе, это может привести, например, к нарушениям развития нервов, связанным с человеческими заболеваниями", — объясняет Лоренц.

"Благодаря пониманию точного взаимодействия HACE1 и её белка-мишени RAC1 мы сможем лучше понять, как генетические изменения в этой молекулярной маркировочной машине могут нарушать распознавание белка-мишени". Новые данные также способствуют пониманию родственных убиквитинлигаз, механизмы распознавания мишеней которых всё ещё плохо изучены.