биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Непохожие «гомологичные» белки

[5 октября, 2008 г.]

Вопрос, каким образом аминокислотная последовательность кодирует строение белков, остаётся одним из наиболее актуальных в биофизике. Чтобы проникнуть в самую суть механизмов, отвечающих за самосборку белков, учёные сконструировали два белкá, практически идентичные по последовательности (88%), которые сохранили при этом структуру и даже функции «исходных» негомологичных белков, из которых они были получены путём введения множества мутаций. Более того, удалось установить, что за различия в вариантах упаковки — 3-α и α/β мотивы — отвечают всего лишь... три аминокислотных остатка.

Понимание связи между первичной последовательностью и пространственной структурой (а, следовательно, и функцией) биологических макромолекул является одной из интереснейших, но до сих пор неразрешённых задач физико-химической биологии. Давно отмечено, что структура молекул белков в большинстве случаев значительно более консервативна, чем их последовательность: в процессе эволюционной дивергенции именно последовательность накапливает отличия со значительной скоростью, мотивы же структурной укладки иногда остаются практически неизменными, даже когда сравнение последовательностей уже не позволяет напрямую судить о гомологии (эволюционном родстве). Именно гомология, о которой чаще всего судят по степени идентичности последовательностей, лежит в основе возможности предсказания строения белкá, если известна структура его «родственника» [1].

Однако в последнее время исследователи начали сталкиваться с явлениями, немного «не вписывающимися» в одну из догм молекулярной биофизики, предложенную ещё Анфинсеном [2] — что первичная последовательность однозначно определяет структуру. В частности, это касается недавнего открытия того, что лимфотактин обладает сразу двумя нативными структурами при физиологических условиях, да ещё и выполняющими каждая свою функцию [3]. В целом верная, гипотеза о том, что белки с близкими последовательностями имеют близкие структуру и функцию, теперь начинает «обрастать» массой исключений и оговорок. (Как это уже произошло с основной «догмой» молекулярной биологии, вкратце записываемой как «ДНК→РНК→белок».)

Теперь стало известно ещё об одном отклонении от правила: учёным удалось на основе двух негомологичных белков сконструировать пару, практически идентичную друг другу (на 88%!), однако каждый из «новых» белков не только сохранил строение, характерное для «родителя», но ещё и продолжил выполнять ту же функцию [4]! В качестве «исходных» белков были взяты субъединицы GA и GB1 многодоменного стрептококкового белка G, связывающие соответственно альбумин сыворотки человеческой крови и константную часть иммуноглобулина IgG. Расположенные в клеточной стенке бактерий Streptococcus, эти белки, предположительно, предназначены для «маскировки» своего хозяина от иммунной системы заражённого организма — в частности, путём «обвешивания» молекулами альбумина хозяина, захватываемыми субъединицей GA.

Рисунок 1. Дизайн негомологичных белков с 88%-й идентичностью последовательностей. А. Структуры исходных белков, использованных как основа дизайна GA88 и GB88. Слева — структура альбумин-связывающего модуля GA, обладающая 3-α укладкой. Справа — структура домена GB1, устроенного по типу α/β. Красным показаны позиции, в которые были введены мутации для получения пары GA88/GB88. Б. Выравнивания аминокислотных последовательностей «родительских» белков (сверху) и мутантов GA88/GB88 (снизу). Рядом с последовательностями схематично показана вторичная структура соответствующего белкá; идентичные остатки в каждой паре показаны на чёрном фоне. (Так, в случае «родительской» пары было всего девять идентичных позиций, а в случае GA88/GB88 — всего семь различающихся.)

Рисунок 2. Структуры GA88 (слева) и GB88 (справа). Красным показаны семь позиций, в которых последовательности пары белков различаются. Несмотря на большое число введённых мутаций, белки GA88 и GB88 сохранили практически тот же тип укладки, что и их «родители» (среднеквадратичные отклонения по белковому остову всего 1 Å и 0.83 Å, соответственно).
Остатки, различающиеся в паре белков GA95 и GB95 (см. текст), имеют номера 20, 30 и 45.

Белки GA и GB1 негомологичны друг другу (идентичность последовательностей всего 16%) и по-разному упакованы в пространстве: согласно мотивам 3-α и α/β, соответственно (см. рис. 1а). Учёные взяли два этих белкá (точнее, их 56-аминокислотные аналоги) «за основу», и ввели 24 замены в последовательность GA и 17 замен — в GB1. Полученные в результате мутанты оказались идентичными уже на 88% (поэтому из назвали GA88 и GB88; см. рис. 1б), но при этом сохранили способность связывать те же молекулы, что связывали их «предки», и те же мотивы пространственной укладки. Структура обоих мутантов была получена с помощью спектроскопии ЯМР, что позволило учёным окончательно убедиться в этом (см. рис. 2). Чтобы подчеркнуть удивительность этого феномена, исследователи даже предложили именовать эту пару не «гомологичными белками», как это обычно делается при высокой доле идентичности последовательностей, а «белками с высокой идентичностью последовательностей».

Все различия по структуре и функциям между белкáми пары GA88 и GB88 обусловлены всего лишь семью остатками, по которым они не совпадают. Точнее, правильнее было бы сказать, не более чем семью. И исследователи пошли ещё дальше: они ввели дополнительные мутации, подняв степень идентичности до 95%, и всё различие между белкáми GA95 и GB95 стало заключаться уже всего в трёх остатках (!), но они продолжали сохранять те же мотивы пространственной упаковки. Определить конкретные молекулярные механизмы, приводящие к «переключению» между структурными семействами 3-α и α/β, учёные рассчитывают в дальнейшем, но уже сейчас они отмечают, что, по-видимому, ключевую роль в этом переходе играют остатки № 30 и № 45 (I30 и L30 в GA95; F30 и Y45 в GB95), которые, скорее всего, в обоих случаях особенно важны для сворачивании белковой глобулы и поддержания её структуры.

Литература

  1. биомолекула: «Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков»;
  2. Нобелевские лауреаты. Кристиан Анфинсен. Электронная библиотека «Наука и техника»;
  3. биомолекула: «Одна последовательность–одна структура: был ли Анфинсен неправ?»;
  4. He Y., Chen Y., Alexander P., Bryan P.N., Orban J. (2008). NMR structures of two designed proteins with high sequence identity but different fold and function. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105, 14412–14417 (в интернете).

Автор: Чугунов Антон.

Число просмотров: 692.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Из пункта А в пункт Б за один ход

Чугунов Антон — 18 декабря, 2009 г. 00:50. (ссылка)

Кстати, через год они опубликовали продолжение, где эти два белка различаются уже всего одним остатком, но сохраняю структуру и функцию! См. «Из пункта А в пункт Б за один ход».

(ответить)

Минимальный ингибитор трипсина

Чугунов Антон — 8 октября, 2008 г. 12:56. (ссылка) (свернуть ветвь)

Вот, кстати, появилась ещё одна работа, где учёные исследовали минимальное необходимое содержание природных аминокислотных остатков для сохранения исходной формы и функции: в ингибиторе бычьего трипсина треть остатков заменили на аланин, но оставшаяся «на месте» часть белка практически ни капельки не изменилась — ни остов, ни даже положение боковых групп неизменённых остатков.

(ответить)

Re: Минимальный ингибитор трипсина

Полянский Антон — 8 октября, 2008 г. 13:54. (ссылка)

Вообще-то тут надо сделать максимально подробное исследование: какая треть остатков - входят ли они в ядра сворачивания (в "зародыши"), если нет - то это не особо впечатляет. Ингибитор трипсина - идеально подходит для этого, поскольку его сворачивание происходит по хорошо изученной схеме - через интермедиат.

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.