Всякий раз, когда клетки получают сигналы, взаимодействуют с другими клетками или идентифицируют вирусы и бактерии, в этом процессе участвуют не только белки, но и сахарные цепи, прикрепленные к их поверхности. Эти структуры, которым до сих пор уделялось относительно мало внимания, сильно различаются по составу и ветвлению и, по-видимому, помогают обеспечить правильную укладку белков и способность выполнять свои специфические задачи.
Несколько наблюдений демонстрируют важность сахаристых придатков: одинаковые белки с разными сахарными цепями выполняют разные функции, больные и здоровые клетки имеют разный состав сахара на своей поверхности, а лекарства, к которым они присоединены, по-видимому, лучше переносятся.
Как сахар попадает в белок?
Известные как гликаны, эти вещества в настоящее время являются предметом интенсивных исследований. После геномики и протеомики теперь есть еще и гликомика. Возникающая область исследований гликобиологии занимается биосинтезом, структурой и разнообразными функциями сахаристых придатков. Один из ключевых вопросов заключается в том, как разнообразный набор молекул сахара в первую очередь достигает белков.
Исследователи ETH в группах под руководством Каспара Лохера из Института молекулярной биологии и биофизики и Маркуса Эби из Института микробиологии сделали решающий шаг вперед в этой области: они определили трехмерную структуру олигосахарилтрансферазы (ОСТ) в дрожжах. «Это фермент, который связывает белки с сахарными деревьями», - объясняет Ребекка Уайлд, один из трех ведущих авторов отчета в журнале Science, в котором исследователи ETH представляют свои выводы.
Это стало возможным благодаря криоэлектронной микроскопии
Определение структуры OST было непростым: для начала Джиллиан Айринг, третий ведущий автор отчета, модифицировала дрожжевые клетки, чтобы фермент можно было выделить и очистить. Уайлд сначала должен был извлечь фермент, встроенный в клеточную мембрану, из большого количества этих дрожжевых клеток, а затем очистить его с помощью трудоемкой процедуры. «Девять литров дрожжей произвели около 0,2 миллиграмма фермента», - говорит она. Молекулы OST были нанесены на небольшую сетку, мгновенно заморожены как отдельные отдельные частицы и визуализированы с использованием криоэлектронного микроскопа высокого разрешения.
Это привело к появлению тысяч изображений, показывающих ферментный комплекс со всех возможных углов обзора. Из этих изображений Юлия Коваль, второй ведущий автор, создала трехмерную структуру OST. На выполнение расчетов на вычислительном кластере ушло шесть недель. В результате была получена карта электронной плотности, на которой фермент изображен как «электронное облако»."
Подходящий момент
"Мы ухватились за удачный момент", - объясняет Уайлд. Они смогли извлечь выгоду из «революции разрешения», происходящей в настоящее время в криоэлектронной микроскопии, и использовать современное устройство с атомарным разрешением. За разработку этой технологии в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по химии.
Чтобы интерпретировать данные электронной микроскопии, Уайлду пришлось «вручную» вписать аминокислотную последовательность OST в небольшие облака на трехмерной карте. Таким образом, исследователь смог во всех подробностях изобразить трехмерную структуру ОЗТ - прорыв, который был воспринят исследователями с восторгом после того, как он был опубликован в Интернете.
Недостающий кусочек головоломки
OST представляет собой мембранный белковый комплекс, состоящий из восьми субъединиц, которые идентифицируют, например, сахар или белковые субстраты или стабилизируют каталитическую единицу. Последняя представляет собой субъединицу фермента, в которой находится активный центр, где белки и сахара собираются вместе и сливаются.«Мы ожидали, что каталитическая единица будет находиться в середине фермента», - объясняет Уайлд. "Удивительно, однако, что это снаружи - и форма напоминает широко раскрытый рот."
То, что изначально сбивало с толку исследователей, вдруг обрело смысл, поскольку они поместили структуру в то место, где на самом деле действует ОЗТ: в частности, фермент встроен in vivo в мембрану эндоплазматического ретикулума (ЭР). Это часть клетки, где белки вырабатываются, сворачиваются, контролируются и модифицируются.
Здесь непосредственным соседом OST является туннельный белок - это уже было известно. Это направляет молодые белки внутрь эндоплазматического ретикулума, а затем прямо в широко открытый рот OST, где они получают свои крошечные сахарные деревья.
Хорошая модель ферментов человека
«Дрожжевой OST - хорошая модель для процессов в организме человека», - объясняет Уайлд. Исследователи делают этот вывод из того факта, что активный центр OST дрожжей, где белки снабжены сахарами, очень похож на соответствующий участок у бактерий.«Это означает, что активный центр почти не изменился в ходе эволюции, - объясняет исследователь, - а значит, есть большая вероятность, что он все еще работает очень похожим образом у млекопитающих, а значит, и у человека».