Знаменательное исследование, проведенное учеными из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета, показывает, как крошечная клеточная машина под названием TRiC управляет свертыванием тубулина, человеческого белка, который является строительным блоком микротрубочек, которые служат каркасом и транспортной системой клетки.

До сих пор ученые думали, что TRiC и подобные ему машины, известные как шаперонины, пассивно обеспечивают среду, способствующую складыванию, но не участвуют в ней напрямую.

Исследователи подсчитали, что до 10% белков в наших клетках, а также в растениях и животных получают практическую помощь от этих маленьких камер, складываясь в свои окончательные, активные формы.

Многие из белков, которые сворачиваются с помощью TRiC, тесно связаны с заболеваниями человека, включая некоторые виды рака и нейродегенеративные расстройства, такие как болезни Паркинсона, Хантингтона и Альцгеймера, говорит профессор Стэнфордского университета Джудит Фридман, один из ведущих авторов исследования.

На самом деле, сказала она, многие противораковые препараты предназначены для разрушения тубулина и образуемых им микротрубочек, которые действительно важны для деления клеток . Таким образом, нацеливание на процесс сворачивания тубулина с помощью TRiC может обеспечить привлекательную стратегию борьбы с раком.

Команда сообщила о результатах своего десятилетнего исследования в статье, опубликованной сегодня в Cell.

«Это самая захватывающая структура белка, над которой я работал за свою 40-летнюю карьеру», — сказал профессор SLAC/Stanford Вах Чиу, пионер в разработке и использовании криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ) и директор крио-ЭМ и крио-ЭМ SLAC. отдел биоимиджинга.

«Когда я встретил Джудит 20 лет назад, — сказал он, — мы говорили о том, можем ли мы увидеть, как сворачиваются белки. Это то, что люди пытались сделать годами, и теперь мы это сделали».

Исследователи зафиксировали четыре отдельных этапа процесса складывания, направленного TRiC, с почти атомарным разрешением с помощью крио-ЭМ и подтвердили то, что они увидели, с помощью биохимического и биофизического анализов.

На самом базовом уровне, по словам Фридмана, это исследование решает давнюю загадку того, почему тубулин не может сворачиваться без помощи TRiC: «Это действительно меняет правила игры, поскольку наконец-то появился новый способ понять, как сворачиваются белки в клетке человека».

Складываем спагетти в цветы

Белки играют важную роль практически во всем, что делает клетка, и выяснение того, как они складываются в свое окончательное трехмерное состояние, является одним из самых важных вопросов в химии и биологии.

По словам Чиу, «белок начинается как цепочка аминокислот, которая выглядит как спагетти, но не может функционировать, пока не свернется в цветок нужной формы».

С середины 1950-х годов наше представление о том, как сворачиваются белки, формировалось в результате экспериментов, проведенных с использованием небольших белков исследователем из Национального института здравоохранения Кристианом Анфинсеном. Он обнаружил, что если он развернет небольшой белок, он спонтанно вернется к той же форме, и пришел к выводу, что инструкции для этого были закодированы в аминокислотной последовательности белка. За это открытие Анфинсен получил Нобелевскую премию по химии 1972 года.

Тридцать лет спустя исследователи обнаружили, что специальные клеточные машины помогают белкам складываться. Но преобладало мнение, что их функция ограничивалась тем, что помогала белкам осуществлять спонтанную укладку, защищая их от захвата или слипания.

Один тип вспомогательной машины, называемый шаперонином, содержит бочкообразную камеру, которая удерживает белки внутри, пока они сворачиваются. TRiC вписывается в эту категорию.

Камера TRiC уникальна тем, что состоит из восьми различных субъединиц, образующих два сложенных кольца. Длинная тонкая нить белка тубулина доставляется в отверстие камеры вспомогательной молекулой в форме медузы. Затем крышка камеры закрывается и начинается складывание. Когда все готово, крышка открывается, и готовый свернутый тубулин уходит.

Поскольку тубулин не может сворачиваться без TRiC, оказалось, что TRiC может делать больше, чем просто пассивно помогать тубулину спонтанно сворачиваться. Но как именно это работает? Это новое исследование отвечает на этот вопрос и демонстрирует, что, по крайней мере, для таких белков, как тубулин, концепция «спонтанного фолдинга» неприменима. Вместо этого TRiC напрямую управляет путем сворачивания, ведущим к правильно сформированному белку.

Хотя недавние достижения в области искусственного интеллекта или ИИ могут предсказать окончательную складчатую структуру большинства белков, сказал Фридман, ИИ не показывает, как белок приобретает свою правильную форму. Это знание является фундаментальным для контроля складчатости в клетке и разработки методов лечения болезней складчатости. Для достижения этой цели исследователям необходимо выяснить подробные этапы процесса складывания, происходящего в клетке.

Сотовая камера берет на себя ответственность

Десять лет назад Фридман, Чиу и их исследовательские группы решили углубиться в то, что происходит в камере TRIC.

«По сравнению с более простыми складчатыми камерами шаперонинов в бактериях, TRiC в клетках человека — очень интересный и сложный механизм», — сказал Фридман. «Каждая из его восьми частей имеет разные свойства и представляет собой четкую поверхность внутри камеры, и это оказывается действительно важным».

Ученые обнаружили, что внутренняя часть этой уникальной камеры направляет процесс складывания двумя способами.

Когда крышка камеры закрывается над белком, на ее внутренних стенках появляются области электростатического заряда. Они притягивают противоположно заряженные части белковой нити тубулина и, по существу, прикрепляют их к стенке, чтобы создать правильную форму и конфигурацию для следующего этапа сворачивания. Между тем, «хвосты» субъединицы TRiC, которые свисают со стенки камеры, захватывают белок тубулина в определенное время и в определенных местах, чтобы закрепить и стабилизировать его.

Для начала один конец нити тубулина зацепляется за небольшой карман в стене. Затем другой конец прикрепляется в другом месте и сгибается. Теперь конец, который зацепился за стену, сгибается таким образом, что оказывается рядом с первой сложенной областью.

На третьем этапе часть средней части сворачивается, образуя ядро ​​​​белка, вместе с карманами, куда может вставляться GTP, молекула, которая хранит и высвобождает энергию для обеспечения работы клетки.

Наконец, оставшаяся часть белка складывается. Теперь молекула тубулина готова к действию.

«Эти структурные снимки промежуточных стадий последовательности складывания никогда раньше не наблюдались с помощью криоэлектронной микроскопии», — сказал Фридман.

Мощное сочетание техник

Ее команда подтвердила последовательность складывания с помощью сложной серии биохимических и биофизических тестов, на которые ушли годы работы.

Интерпретация этих результатов позволила исследователям построить картину изменения формы тубулина по мере его складывания внутри камеры TRiC, которая соответствовала изображениям, полученным с помощью крио-ЭМ.

«Очень важно иметь возможность переключаться между этими методами, потому что тогда вы действительно можете знать, что то, что вы видите, отражает то, что происходит в клетке», — сказал Фридман.

«Наука удивила нас действительно интересным решением, которое я не мог предсказать».

Исследование также дает ключ к пониманию того, как эта система складывания развивалась в эукариотических клетках, из которых состоят растения, животные и люди, но не в более простых клетках, таких как клетки бактерий и архей. Исследователи предполагают, что по мере того, как белки становились все более и более сложными для удовлетворения потребностей эукариотических клеток , в какой-то момент они не могли принимать форму, необходимую для выполнения более сложной работы, без небольшой помощи. Эукариотические белки и их шаперониновая камера, вероятно, развивались вместе, возможно, начиная с последнего общего предка всех эукариотических организмов около 2,7 миллиардов лет назад.