Белки являются строительными блоками всех живых существ. Проводится огромное количество исследований того, как эти белки производятся и что они делают, от ферментов, осуществляющих химические реакции, до мессенджеров, передающих сигналы между клетками. В 2004 году Аарон Чехановер, Аврам Хершко и Ирвин Роуз получили Нобелевскую премию по химии за другой, но не менее важный процесс белкового механизма: как организмы расщепляют белки, когда они закончили выполнять свою работу.
Расщепление белков - это тщательно организованный процесс. Белки помечаются для утилизации с помощью молекулярной метки, называемой убиквитин, а затем загружаются в протеасомы, своего рода измельчитель клеточной бумаги, который измельчает белки на мелкие кусочки. Этот процесс убиквитинирования, или мечения белков убиквитином, участвует в широком спектре клеточных процессов, включая деление клеток, репарацию ДНК и иммунные реакции..
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature 17 ноября 2021 года, исследователи из Чикагского университета использовали передовые электронные микроскопы, чтобы глубже изучить процесс деградации белка. Они описали структуру ключевого фермента, который помогает опосредовать убиквитинирование у дрожжей, часть клеточного процесса, называемого путем N-дегрон, который может отвечать за определение скорости деградации до 80% эквивалентных белков у людей. Сбои в этом пути могут привести к накоплению поврежденных или неправильно свернутых белков, что лежит в основе процесса старения, нейродегенерации и некоторых редких аутосомно-рецессивных заболеваний, поэтому лучшее понимание этого дает возможность разработать методы лечения.
Минглей Чжао, доктор философии, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии, и его коллеги изучали лигазу Е3 - тип фермента, который помогает соединять более крупные молекулы, - названный Ubr1. В пекарских дрожжах Ubr1 помогает инициировать процесс убиквитинирования, поскольку он прикрепляет убиквитин к белкам и удлиняет его в цепочку молекул, известную как полимер. Полимеры, более известные как строительные блоки синтетических материалов, таких как пластмассы, также встречаются в природе, когда большие молекулы (в данном случае убиквитин) соединяются в повторяющиеся субъединицы.
«До этого исследования мы мало что знали о том, как структурно формируются убиквитиновые полимеры», - сказал Чжао. «Теперь мы начинаем понимать, как он сначала устанавливается на белковый субстрат, а затем как полимеры образуются специфичным для связи образом. Это важная веха с точки зрения понимания полиубиквитинирования на уровне, близком к атомному».
В этом исследовании Чжао и его команда использовали некоторые методы химической биологии, чтобы имитировать начальные этапы процесса присоединения убиквитина к белкам. Затем они использовали другое изобретение, получившее Нобелевскую премию, под названием криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ), чтобы зафиксировать этот процесс. Крио-ЭМ включает мгновенное замораживание растворов белков, а затем использование мощного электронного микроскопа для получения изображений отдельных молекул или субклеточных структур. Около 10 лет назад прорывы в аппаратном и программном обеспечении привели к созданию микроскопов и детекторов, которые могли фиксировать молекулярные изображения с гораздо более высоким разрешением. В 2017 году Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон получили Нобелевскую премию по химии за разработку методов крио-ЭМ, которые позволяют исследователям создавать моментальные снимки, буквально замораживающие «живое» действие биологического процесса.
Команда Чжао воспользовалась инвестицией Отдела биологических наук в размере 10 миллионов долларов в Усовершенствованный электронный микроскоп, чтобы использовать крио-ЭМ для более подробного изучения убиквитинирования. Им удалось описать структуру нескольких промежуточных ферментных комплексов, участвующих в этом пути, что поможет исследователям найти способы воздействовать на белки с помощью лекарств или вмешиваться в неисправный процесс деградации белков.
«Крио-ЭМ - это интересно, потому что после обработки данных появляется новая структура, которую вы никогда раньше не видели», - сказал Чжао. «Теперь мы можем использовать то, что узнали, и перепрофилировать ферменты, вводя небольшие молекулы или смеси пептидов для расщепления белков, которые нам нужны».