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 G_A и G_B1 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 G_A.

Белки G_A и G_B1 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 G_A и 17 замен — в G_B1. Полученные в результате мутанты оказались идентичными уже на 88% (поэтому из назвали G_A88 и G_B88; 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 (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 G_A88 и G_B88 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 G_A95 и G_B95 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 G_A95; F30 и Y45 в G_B95), которые, скорее всего, в обоих случаях особенно важны для сворачивании белковой глобулы и поддержания её структуры.

Литература

1. Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков;
2. Нобелевские лауреаты. Кристиан Анфинсен. Электронная библиотека «Наука и техника»;
3. Одна последовательность — одна структура: был ли Анфинсен неправ?;
4. Y. He, Y. Chen, P. Alexander, P. N. Bryan, J. Orban. (2008). NMR structures of two designed proteins with high sequence identity but different fold and function. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 14412-14417.