Для поддержания наших клеточных функций важно, чтобы белки транспортировались в различные места внутри клетки, называемые «клеточными органеллами» по аналогии с органами нашего тела, пока они еще синтезируются. Но как можно различать разные пункты назначения транспорта и предотвращать попадание белков в неправильные органеллы? Международная исследовательская группа обнаружила, как этот сложный процесс контролируется на молекулярном уровне для важного клеточного назначения - транспорта зарождающихся белков в мембранную сеть клетки, эндоплазматический ретикулум.
В своей текущей публикации в журнале Science исследователи смогли показать, что белковый комплекс, известный среди специалистов как NAC, открытый более 25 лет назад, играет решающую роль в этом процессе:, NAC гарантирует, что только белки с эндоплазматическим ретикулумом в качестве места назначения передаются транспортеру белка SRP (частице распознавания сигнала). Затем SRP обеспечивает транспортировку «груза» в указанное место назначения. Если, с другой стороны, зарождающийся белок имеет пункт назначения, отличный от эндоплазматического ретикулума, привратник NAC отказывает в доступе к белковому транспортеру SRP.
Протеиновая фабрика
Используя генетический материал в качестве схемы, тысячи и тысячи новых белков производятся каждую минуту в клетках нашего тела. Это производство белка происходит в рибосомах, клеточных «фабриках» нашего тела, где отдельные аминокислоты - строительные блоки белков - собираются в длинные цепочки аминокислот. Образовавшиеся белки впоследствии могут выполнять самые разные функции и, соответственно, иметь различное назначение внутри клетки. Таким образом, подходящие механизмы сортировки часто уже во время производства белка гарантируют, что белки надежно достигают своего соответствующего местоположения внутри клетки.
До сих пор было известно, что два белковых комплекса, вышеупомянутые NAC и SRP, играют важную роль в направленном транспорте зарождающихся белков в эндоплазматический ретикулум. SRP является фактическим «транспортным белком», который устанавливает контакт возникающих белков вместе с рибосомой в эндоплазматический ретикулум. Он распознает специфический транспортный сигнал, закодированный во вновь синтезированном белке. Однако есть проблема: SRP также неспецифически связывается с рибосомами, которые не имеют сигнала для эндоплазматического ретикулума.
Неконтролируемый SRP будет связываться с любой рибосомой поблизости, а затем транспортировать ее в эндоплазматический ретикулум, независимо от того, производится ли в настоящее время белок с этим назначением. Это привело бы к бесчисленным ошибкам доставки, которые серьезно нарушили бы функцию и жизнеспособность клетки», - объясняет Эльке Дойерлинг, один из ведущих авторов текущего исследования и профессор молекулярной микробиологии в Университете Констанца. Таким образом, исследователи приходят к выводу, что существует экземпляр управления, который предотвращает именно это: привратник NAC.
Отслеживание молекулярного механизма
Как именно NAC предотвращает неспецифическое связывание SRP с любой рибосомой на молекулярном уровне и вместо этого обеспечивает транспорт только правильных рибосом в эндоплазматический ретикулум, ранее было неясно. Биологи из Констанца исследовали этот вопрос в своем текущем исследовании в сотрудничестве с коллегами из ETH Zurich (Швейцария), Лаборатории молекулярной биологии MRC (LMB, Кембридж, Великобритания) и Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт, Пасадена, США).
Для этого они сначала смоделировали процессы в клетке, смешав очищенные рибосомы вместе с NAC и SRP в пробирке. Затем смесь быстро заморозили при температуре ниже -150°C и образец исследовали под электронным микроскопом - метод, известный как криоэлектронная микроскопия. Это позволило структурным биологам доктору Ахмаду Джомаа и доктору Вишванатану Чандрасекарану, соавторам исследования, показать, как NAC связывается с рибосомами до и после переноса груза в SRP. Это был важный краеугольный камень в выяснении механизма привратника, но переход между состояниями оставался неясным.
«Переход - это очень динамичный процесс, который нельзя визуализировать с помощью криоэлектронной микроскопии», - объясняет доктор Мартин Гамердингер, один из ведущих авторов из Констанцского университета. Чтобы понять этот процесс, он и его команда, докторские исследователи Анналена Валлиш и Зейнел Улусой, провели исследования биохимического связывания с высоким разрешением, которые подробно выявили механизм взаимодействия NAC с рибосомами в зависимости от типа синтезируемого белка.
NAC как привратник
Используя этот метод и компьютерную реконструкцию трехмерных структур, а также эксперименты доктора Хао-Сюань Сие по силе связывания между участвующими компонентами, исследователям удалось расшифровать, как NAC работает на молекулярном уровне. Основываясь на своих результатах, они смогли предложить подробный молекулярный механизм функции сортировки NAC.
Согласно этому, NAC связывается с рибосомой, особенно с той частью, где зарождающийся белок покидает «белковую фабрику». Как привратник, часть NAC защищает этот выход, рибосомный туннель, и блокирует доступ SRP к рибосоме и зарождающемуся белку. Доступ предоставляется только тогда, когда транспортная сигнальная последовательность для эндоплазматического ретикулума, закодированная в зарождающемся белке, выходит из туннеля в ходе синтеза белка. NAC распознает этот сигнал и меняет свое положение на рибосоме. Таким образом, выход из рибосомного туннеля становится разблокированным, и теперь SRP может стыковаться с выходом из туннеля после активного рекрутирования на рибосому с помощью «захватывающей руки» NAC, т.е.е. домен УБА. После связывания SRP и переноса сигнальной последовательности рибосома вместе с формирующимся белком транспортируется в эндоплазматический ретикулум.
«Наше исследование раскрывает молекулярную функцию NAC как привратника, предоставляя SRP доступ только к тем зарождающимся белкам, назначением которых является эндоплазматический ретикулум», - резюмирует профессор Эльке Дойерлинг этот фундаментальный механизм контроля. Она согласна со своими партнерами по международному сотрудничеству профессором Ненадом Баном (ETH Цюриха, Швейцария), профессором Шу-оу Шаном (Калифорнийский технологический институт, США) и профессором Рамануджаном Хегде (MRC-LMB, Великобритания): «Будущие исследования должны будут показать, имеет ли NAC также другие контрольные функции в рибосомном туннеле».