Создание устойчивых белковых паттернов
Правильная локализация белков критически важна для многих фундаментальных клеточных процессов. Физики из LMU исследовали, как механизмы формирования паттернов могут приобретать устойчивость к колебаниям концентраций белков.
Многие ключевые процессы в клетках зависят от правильного расположения белков. Например, плоскость деления клетки определяется паттерном специфических белков и должна быть устойчива к изменениям в их относительных концентрациях. Физики из Университета Людвига-Максимилиана под руководством профессора Эрвина Фрея совместно с группой профессоры Петры Швилле (Институт биохимии Макса Планка, Мюнхен) исследовали, как достигается такая стабильность. Результаты опубликованы в журнале PNAS.
Одна из самых популярных модельных систем для изучения биологического паттернообразования — система Min, которая ограничивает плоскость деления (определяемую кольцом белка FtsZ) серединой клетки у палочковидной бактерии Escherichia coli. Система включает небольшой набор белков Min, распределение которых динамически осциллирует между полюсами клетки. Их чистый эффект — предотвращение сборки делящего кольца на мембране у полюсов, тем самым ограничивая FtsZ серединой клетки. Осцилляции Min возникают в результате сложного взаимодействия АТФазы MinD и её активатора MinE. MinE активирует ферментативную активность связанного с мембраной MinD, запуская конверсию связанного нуклеотида аденозинтрифосфата (АТФ) в аденозиндифосфат (АДФ), что вызывает высвобождение MinD-АДФ в цитоплазму. Затем MinD диффундирует в цитоплазме, пока АДФ не заменяется на АТФ, что позволяет ему снова связываться с клеточной мембраной.
«В классических математических моделях этого процесса формирование паттернов MinE и MinD на мембране возможно только при условии, что концентрация MinE меньше, чем у MinD», — говорит Йонас Денк, аспирант в группе Фрея и соавтор новой работы. Однако в клетках E. coli обычно содержатся примерно равные уровни MinE и MinD, а in vitro эксперименты показали, что паттерны могут возникать даже при значительном увеличении концентрации MinE.
Денк и его соавторы разрешили это противоречие между теорией и экспериментом, включив в свою модель эффекты конформационного изменения MinE, происходящего при связывании активатора с мембраной. Недавно было показано, что MinE существует в двух структурных формах: открытой («реактивной») и закрытой («латентной») конформации. Закрытая форма имеет низкое сродство к MinD, то есть вероятность её связывания с MinD довольно мала. Однако если связывание происходит, MinE быстро превращается в открытую форму, обладающую высоким сродством к MinD-АТФ. В этом состоянии MinE активирует АТФазную функцию MinD, и оба — MinE и MinD-АДФ — высвобождаются с мембраны. Исследователи предполагают, что активная форма MinE ненадолго остаётся в открытой конформации и поэтому может «перепрыгнуть» на ближайший связанный с мембраной MinD. Если она не находит его достаточно быстро, то возвращается в закрытую конформацию с низким сродством.
«Эта способность переключаться между двумя конформациями необходима для устойчивости паттернообразования и позволяет формировать паттерны даже при сильно повышенных концентрациях MinE, как показали наши симуляции», — говорит Фрей. In vitro эксперименты, проведённые Симоном Кречмером (членом группы Швилле), подтвердили результаты этих симуляций.
Эта модифицированная модель даёт новое понимание механизмов регуляции биологического паттернообразования, что имеет значение и для других паттернообразующих систем. Фрей и коллеги полагают, что устойчивость к изменениям концентраций компонентов может давать эволюционное преимущество, поскольку наделяет клетки большей гибкостью. Расширение допустимого диапазона ошибок, совместимого с паттернообразованием, гарантирует, что паттерны всё ещё могут формироваться при изменении относительных уровней белков.