Приблизительно 30 процентов белков, кодируемых геномом человека, являются мембранными белками - белками, которые охватывают клеточную мембрану, чтобы облегчить связь между клетками и окружающей их средой. Эти молекулы играют важную роль в обучении, зрении и восприятии запахов, а также во многих других функциях.
Несмотря на распространенность этих белков, ученые столкнулись с трудностями при изучении их структуры и функций, потому что связанные с мембраной части очень гидрофобны, поэтому они не могут растворяться в воде. Это значительно затрудняет структурный анализ, такой как рентгеновская кристаллография.
В качестве аванса, который может упростить проведение такого типа структурных исследований, исследователи Массачусетского технологического института разработали способ сделать эти белки водорастворимыми, заменив некоторые из их гидрофобных аминокислот на гидрофильные. Этот метод основан на коде, который намного проще, чем разработанные ранее методы превращения этих белков в растворимые, основанные на компьютерных алгоритмах, которые необходимо адаптировать для каждого белка в каждом конкретном случае.
«Если нет правила, которому нужно следовать, людям трудно понять, как это сделать», - говорит Шугуан Чжан, главный научный сотрудник Центра битов и атомов медиа-лаборатории Массачусетского технологического института. «Инструмент должен быть простым, доступным для всех, а не сложной компьютерной симуляцией, которую знают лишь немногие».
Чжан является старшим автором исследования, опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences за неделю от 27 августа. Другие авторы Массачусетского технологического института - бывший приглашенный профессор Фей Тао, постдоктор Руй Цин, бывший приглашенный профессор Хунчжи. Тан, аспирант Майкл Скухерски, бывшая студентка Каролина Корин '03, SM '05, доктор философии '11, бывший постдокторант Лотта Теглер, аспирант Асмамау Васси и бывший студент Брук Васси '14.
Простой код
Из примерно 8 000 известных мембранных белков, обнаруженных в клетках человека, ученые открыли структуры около 50. Многие считают, что с ними очень трудно работать, потому что после извлечения из клеточной мембраны они только сохраняют их структура, если они суспендированы в детергенте, который имитирует гидрофобную среду клеточной мембраны. Эти детергенты дороги, и не существует универсального детергента, подходящего для всех мембранных белков.
Чжан начал работать над новым способом решения этой проблемы в 2010 году, вдохновленный покойным Александром Ричем, профессором биологии Массачусетского технологического института. Рич поставил вопрос о том, могут ли белковые структуры, называемые альфа-спиралями, которые составляют основную часть встроенной в мембрану части белков, переключаться с гидрофобных на гидрофильные. Чжан немедленно начал разрабатывать возможные решения, но проблема оказалась сложной. За последние восемь лет у него было несколько студентов и приглашенных исследователей, которые помогали работать над его идеей, совсем недавно Цин, который добился успеха.
Ключевая идея, которая позволила Чжану разработать код, заключается в том, что несколько гидрофобных аминокислот имеют структуру, очень похожую на некоторые гидрофильные аминокислоты. Это сходство позволило Чжану разработать код, в котором лейцин превращается в глютамин, изолейцин и валин - в треонин, а фенилаланин - в тирозин..
Другим важным фактором является то, что ни одна из этих аминокислот не заряжена, поэтому замена их оказывает минимальное влияние на общую структуру белка. На самом деле, изолейцин и треонин настолько похожи, что рибосомы, клеточные структуры, которые собирают белки, иногда вставляют неправильный - примерно раз в каждые 200-400 случаев.
Исследователи назвали свой код QTY-кодом по трем буквам, обозначающим глютамин, треонин и тирозин соответственно.
В своих первых попытках внедрить этот код исследователи заменили лишь небольшую часть гидрофобных аминокислот, встроенных в мембрану, но полученным белкам для растворения по-прежнему требовалось некоторое количество детергента. Они увеличили скорость замещения примерно до 50 процентов, но белки по-прежнему не были полностью растворимы в воде, поэтому они заменили все экземпляры глутамина, изолейцина, валина и фенилаланина, внедренные в мембраны. На этот раз они добились успеха.
«Только когда мы заменяем все гидрофобные остатки в трансмембранных областях, мы можем получить белки, которые стабильны и полностью не содержат детергентов в водной системе», - говорит Цин.
Сходство структур
В этом исследовании исследователи продемонстрировали свою технику на четырех белках, принадлежащих к классу белков, известных как рецепторы, связанные с G-белком. Эти белки помогают клеткам распознавать молекулы, такие как гормоны, или иммунные молекулы, называемые хемокинами, и запускать соответствующий ответ внутри клетки.
Исследователи все еще работают над получением точных структур этих белков с помощью рентгеновской кристаллографии или ядерного магнитного резонанса (ЯМР), но они провели несколько экспериментов, которые предполагают, что структуры похожи. В одном они показали, что водорастворимые белки денатурируют почти при той же температуре, что и исходные версии белков. Они также показали, что модифицированные белки связываются с теми же молекулами-мишенями, с которыми связываются исходные белки, хотя и не так сильно.
Возможность синтезировать водорастворимые версии этих белков может открыть новые области применения, такие как датчики, которые могут обнаруживать загрязнители окружающей среды, говорят исследователи.
Другой возможностью является разработка водорастворимых версий белков, которые связываются с молекулами, обычно экспрессируемыми раковыми клетками, которые можно использовать для диагностики опухолей или выявления метастатических раковых клеток в образцах крови, говорит Чжан. Исследователи также могут создать водорастворимые молекулы, в которых мембраносвязанный рецептор, с которым обычно связываются вирусы, присоединен к части антитела. Если бы эти «лекарства-приманки» вводились в организм, вирусы связывались бы с рецепторами, а затем уничтожались бы иммунной системой, которая активировалась бы частью антител.
Исследование финансировалось лабораториями OH2 и Консорциумом Центра битов и атомов Массачусетского технологического института, в который входит Инновационный центр Bay Valley.