GTPases составляют очень большое семейство белков, члены которого участвуют в контроле клеточного роста, транспорта молекул, синтеза других белков и т. д. Несмотря на множество функций GTPases, они следуют общему циклическому паттерну.. Активность ГТФаз регулируется факторами, которые контролируют способность ГТФаз связывать и гидролизовать гуанозинтрифосфат (ГТФ) до гуанозиндифосфата (ГДФ). До сих пор существовало общее предположение, что GTPase активна или «включена», когда она связана с GTP, и неактивна или «выключена» в комплексе с GDP. Поэтому ГТФазы иногда называют молекулярными «переключателями»."
Бактериальный фактор трансляционной элонгации EF-Tu представляет собой ГТФазу, которая играет решающую роль в процессе синтеза белков в бактериях, поскольку этот фактор транспортирует аминокислоты, из которых состоят белки клетки, на завод по синтезу клеточных белков, рибосома. Предыдущие структурные исследования с использованием рентгеновской кристаллографии показали, что EF-Tu встречается в двух заметно различающихся трехмерных формах в зависимости от того, находится ли фактор «включен» (т.е. связан с GTP) или «выключен» (т.е. связан с GDP). Поэтому всегда считалось, что связывание GTP/GDP имеет решающее значение для структурной конформации фактора.
Тем не менее, совместные исследования между исследователями факультета молекулярной биологии и генетики Орхусского университета и двух американских университетов показывают, что структура и функции EF-Tu и, возможно, других GTPases гораздо сложнее, чем предполагалось ранее. В группе Сёрена Тирупа рентгеноструктурный анализ E.coli EF-Tu показал, что EF-Tu, связанный с вариантом GTP, GDPNP, также может находиться в «выключенном» состоянии, которое характеризуется более открытой структурой. В сотрудничестве с американскими исследователями аспирант Шарлотты Кнудсен Дариус Каваляускас провел дальнейшие исследования с использованием специальной формы флуоресцентной микроскопии, которая позволяет наблюдать пространственную структуру отдельных молекул EF-Tu в растворе.
EF-Tu метили донором флуоресценции и акцептором флуоресценции. Когда донор облучается светом с определенной длиной волны, свет будет поглощаться и преобразовываться в свет с новой длиной волны. Акцептор улавливает свет и переизлучает его на третьей длине волны, если он находится в непосредственной близости от донора. Проходящий свет измеряется в конфокальном микроскопе, с помощью которого можно определить расстояние между донором и акцептором в молекулах EF-Tu для тысяч молекул в растворе, тем самым предоставляя информацию о динамических аспектах EF-Tu.
ГТФазы гораздо более динамичны, чем предполагалось
Исследование показало, что EF-Tu в растворе не находится в фиксированной структуре, когда фактор привязан к GDP или вариациям с GDPNP, и поэтому должен быть "выключен" или "включен" соответственно. Вместо этого EF-Tu оказался чрезвычайно динамичным, представляя собой смесь структур. Эта тенденция была наиболее выражена при включении в раствор ГДНП, что подтверждается рентгеноструктурным исследованием. Только при связывании с рибосомой EF-Tu принимал ожидаемую активную форму.
Результаты показывают, что в будущем ГТФазы следует рассматривать как гораздо более гибкие молекулы, которые не только «включены» или «выключены». ГТФазы являются очевидными мишенями для лекарств: например, бактериальные инфекции в принципе можно вылечить путем ингибирования EF-Tu, в то время как ГТФаза ras p21 неправильно регулируется примерно в 30% всех случаев рака, особенно в особенно смертельных формах в легких, толстой кишке и поджелудочной железе.. Однако до сих пор не удалось разработать лекарство, пригодное для использования против этих двух мишеней, но открытие высокой гибкости ГТФаз может помочь изменить ситуацию.