Для интеграции в плазматическую мембрану клетки или секреции во внеклеточное пространство белки используют специализированные трансмембранные каналы, осуществляющие транслокацию, — SecYEG (канал состоит из субъединиц Y, E и G) — для краткости часто называемые просто SecY. (Если речь идёт не про бактерий, а про эукариот, то аналогичный транслокационный комплекс будет называться Sec61, и состоять он будет из субъединиц α, β и γ.) Часто транслокация начинается котрансляционно — то есть, «хвостик» белка, только что сошедший с рибосомы и не успевший ещё образовать какой-либо устойчивой структуры, «захватывается» устьем канала SecY и начинает транспортироваться через мембрану клетки или эндоплазматического ретикулума.

Предназначен ли белок для трансмембранной транспортировки, и если да, то через какую мембрану — определяется сигнальным (лидерным) пептидом, который, сослужив свою роль и «указав» место, куда должен быть доставлен белок, отщепляется за ненадобностью. В случае если транспорт белкá осуществляется не параллельно с синтезом, а уже когда экспортируемая молекула «готова», к процессу может подключаться периплазматический «мотор» SecA, «проталкивающий» белóк через канал SecY (при этом затрачивается энергия АТФ).

Кстати, транслокационный комплекс (транслокон) осуществляет не только экспорт белков, но также и доставку их в мембрану клетки. Определить, следует ли белок «выпускать» наружу или интегрировать его в мембрану, помогает уникальная особенность транслокона «чувствовать» гидрофобность проходящих через его канал белковых сегментов [1]. Если транспортируемый участок достаточно длинный (20–30 а/к остатков) и при этом гидрофобный — то, скорее всего, транслокон отреагирует на это, «вытолкнув» его в липидную фазу вместо внеклеточного пространства.

Интерес к молекулярным механизмам работы транслокона объясняет необходимость знания структуры этого комплекса, и если строение отдельных его частей — SecY [2] и SecA [3] — уже достаточно давно изучено, то как всё это устроено в комплексе и каким образом белóк проходит через канал, до недавнего времени оставалось понятным лишь в самых общих чертах. И вот недавно в одном номере Nature вышло сразу три работы [4–6], посвящённые структуре «целующегося» комплекса SecY и SecA, и механизмам их работы. (Шутливый термин «целующийся» обозначает, видимо, что два белковых комплекса, содержащих каналы, через которые проходит белок, соединяются «ртами».)

Трансмембранный канал SecY функционирует в качестве димера, каждая молекула в составе которого выполняет свою функцию: одна собственно транслоцирует белковые цепи, другая «заякоривает» SecA в нужном положении [2]. «Моторы» SecA тоже работают в паре, и каждый из них состоит из четырёх субъединиц — по два на связывание АТФ (между субъединицами) и на формирование «точки приёмки» белкá (последние для наглядности можно изобразить «руками» — см. рисунок 1а).

Структура комплекса SecY–SecA из бактерии Thermotoga maritima [4], полученная в лаборатории Тома Рапопорта (Tom Rapoport) — профессора медицинского факультета Гарварда и медицинского института имени Ховарда Хьюза, а также автора первой структуры канала SecY [2] — содержит мономеры SecY и SecA, в то время как функциональными единицами являются димеры. Однако даже она даёт много новой информации о механизме взаимодействия этих каналов и способе транслокации. Пóра трансмембранного канала в этой структуре закрыта, а «рука» мотора SecA закрывает полость связывания сигнального пептида (в структуре отсутствует). Чтобы пептид мог связаться, «рука» должна раскрыться, а «палец» второй «руки», прикрывающий устье трансмембранного канала, должен каким-то образом использовать энергию связывания АТФ в «энергетических» субъединицах, чтобы протолкнуть полипептидную цепь в канал.

Чтобы изучить этот процесс, в группе того же Рапопорта провели другое исследование, где модифицированный сигнальный пептид использовался в качестве «молекулярного эндоскопа» для зондирования связывания с «точкой приёмки» в Sec A [5]. Приём этот заключался во введении в сигнальный пептид остатков цистеина и последующем анализе, с каким парным цистеином в транслоконе он образует дисульфидную связь. В результате выяснилось, что в неактивной (закрытой) форме транслокона (без АТФ) N-конец сигнального пептида расположен вблизи кончика «пальца» (рис. 1б), а при добавлении АТФ и запуске работы транслокона пептид постепенно проникает в трансмембранный канал (рис. 1в)! Кроме того, учёные продемонстрировали, что кроме собственно «проталкивания» белковой цепи, «палец» расширяет пору канала, через которую секретируется белок.

Кристаллическая структура белкá, а в особенности такой сложной «машины», как транслокационный канал [4], обладает тем недостатком, что «замораживает» его в какой-то одной конформации, не давая данных обо всех возможных движениях молекулы. Чтобы исправить этот минус, группой японских учёных было проведено ещё одно структурное исследование транслокона [6], которое, возможно, показывает, как устроена его активированная (открытая) конформация.

В этой структуре «мотор» отсутствует; зато присутствует антитело, связывающееся с тем же сайтом на поверхности канала, что и «мотор», и фиксирует его в другой, предположительно — активированной, открытой конформации. При этом часть внутренней поверхности канала оказывается открытой для цитоплазмы, что, возможно, является дополнительным местом связывания сигнального пептида (при котрансляционном транспорте).

Изучение строение мембранных белков, а особенно их комплексов — крайне непростая задача, потому что подобные комплексы часто распадаются, а белки денатурируют при извлечении их из мембран (что необходимо для изучения их организации). Однако для окончательного понимания точнейшего механизма транслокации белковых молекул через мембрану всё же потребуется достичь ещё большего, в частности — получить структуры более высокого разрешения, и уже не мономера SecY–SecA, а димера, связывающего сигнальный пептид и молекулу АТФ; понять, как «мотор» преобразует энергию гидролиза АТФ в механическую работу движения «пальца»; и, в конце концов, изучить динамику этой невероятной молекулярной машины.

Литература

1. Tara Hessa, Hyun Kim, Karl Bihlmaier, Carolina Lundin, Jorrit Boekel, et. al.. (2005). Recognition of transmembrane helices by the endoplasmic reticulum translocon. Nature. 433, 377-381;
2. Bert van den Berg, William M. Clemons, Ian Collinson, Yorgo Modis, Enno Hartmann, et. al.. (2004). X-ray structure of a protein-conducting channel. Nature. 427, 36-44;
3. J. F. Hunt. (2002). Nucleotide Control of Interdomain Interactions in the Conformational Reaction Cycle of SecA. Science. 297, 2018-2026;
4. Jochen Zimmer, Yunsun Nam, Tom A. Rapoport. (2008). Structure of a complex of the ATPase SecA and the protein-translocation channel. Nature. 455, 936-943;
5. Karl J. Erlandson, Stephanie B. M. Miller, Yunsun Nam, Andrew R. Osborne, Jochen Zimmer, Tom A. Rapoport. (2008). A role for the two-helix finger of the SecA ATPase in protein translocation. Nature. 455, 984-987;
6. Tomoya Tsukazaki, Hiroyuki Mori, Shuya Fukai, Ryuichiro Ishitani, Takaharu Mori, et. al.. (2008). Conformational transition of Sec machinery inferred from bacterial SecYE structures. Nature. 455, 988-991;
7. Anastassios Economou. (2008). Clamour for a kiss. Nature. 455, 879-880.