Комбинация рентгеновской кристаллографии и криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) помогла совместным усилиям получить структуру грибкового белка Hsp104 с самым высоким разрешением, которая может препятствовать формированию некоторых дегенеративных заболеваний. Команда, в состав которой вошли исследователи из U.S. Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE) также проверила спиральную структуру гексамеров, образованных белком, которые когда-то считались плоскими.
Результаты были опубликованы онлайн в декабре. Структура журнала от 27 августа 2018 г.
Hsp104 – это гексамерный белок AAA +, известный как шаперон, который помогает в естественных процессах сворачивания белков для правильного функционирования клеток. Что еще более важно, этот класс гексамеров может восстанавливать неправильно свернутые или агрегированные белки, что может приводить к вызванным белком аномалиям, таким как нейродегенерация.
Варианты этих шаперонов распространены среди многоклеточных организмов, но Hsp104 не имеет гомолога среди людей и других животных. Хотя он более устойчив, чем шапероны человеческого происхождения, которые могут не работать при клеточном стрессе, наблюдалось, что Hsp104 сворачивает человеческие белки.
«Мы провели несколько экспериментов, в которых экспрессировали человеческие белки в дрожжах, что вызывает заболевание дрожжей, потому что они собираются. Но если вы экспрессируете Hsp104, один из грибов Calcarisporiella thermophila, он защищает дрожжи от этого заболевания агрегации », – сказал заслуженный научный сотрудник Аргонны Анджей Иоахимиак.
Йоахимиак работал с командой, состоящей из исследователей из Аргонна, Чикагского университета, Стэнфордского университета и Университета Пенсильвании, чтобы лучше понять структуру и функцию Hsp104.
Команда обратилась к аргоннскому Advanced Photon Source, пользовательскому объекту Управления науки Министерства энергетики США, чтобы исследовать структуру белка с помощью рентгеновской кристаллографии.
Они исследовали 30 различных образцов, в том числе 14 шаперонов Hsp104 из разных источников. В этом процессе монокристалл был погружен в жидкий азот и подвергнут жесткому рентгеновскому излучению, по которому были собраны дифракционные картины и реконструирована структура. «Только белок из гриба Calcarisporiella подвергался дифракции с высоким разрешением», – отметил Иоахимиак.
Чтобы лучше понять структурные отношения белка в живой клетке, они обратились к исследованию белка в растворе. Образцы были проверены с помощью электронной микроскопии в Чикагском университете, а затем отправлены в Стэнфордский университет, где криоэлектронные микроскопы собрали молекулярные данные с высоким разрешением, необходимые для определения структуры с помощью сложных вычислений.
Как и в случае с исследованием кристаллов, образец Calcarisporiella обеспечил наилучшее разрешение.
Теперь, вооружившись Hsp104 с самым высоким разрешением как в кристаллической форме, так и в растворе, команда смогла сделать ранее неизвестные или неопределенные определения характеристик и поведения белка.
До открытия команды биологи считали, что Hsp104 поддерживает пять доменов, независимых участков белка, которые выполняют определенные функции. Но новые структуры высокого качества не только раскрыли всего четыре области, но и дали более четкое представление о том, как они соотносятся друг с другом.
Например, считается, что N-концевой домен связывается с неправильно свернутым белком и помогает ему разворачиваться в линейную форму.
Это позволяет ему проходить через узкий центральный канал в гексамере, созданном двумя доменами AAA (АТФазы, связанные с различной клеточной активностью). Белок направляется или перемещается по этому каналу на другую сторону гексамера, где теперь у него есть новая возможность правильно сворачиваться.
«Ранее люди утверждали, что другой, С-концевой домен, важен для образования гексамера, но мы показали, что это не так», – сказал Иоахимиак. ?"Он не взаимодействует с другими субъединицами, но может работать как стыковочная зона для других шаперонов, помогая рефолдингу белков."
Еще одна ключевая находка помогла опровергнуть давнее представление о плоских гексамерах Hsp104. Оба метода исследования недвусмысленно доказали, что они спиральные, что помогло исследователям понять, как шаперон образует ?"ремонтный" канал.
Команда планирует продолжить изучение множества и разнообразных шаперонов, которые существуют за пределами генома человека.
Они считают, что эти шапероны могут служить терапевтической стратегией с потенциалом буквально распутывать белки, которые могут привести к серьезным заболеваниям.
«Возможно, существуют другие шапероны, которые лучше нашего, и что они смогут лечить белки, которые накапливаются в головном мозге и вызывают заболевания», – сказал Йоахимиак. ?"Было бы здорово."
Статья «Структура дезагрегазы Hsp104 Calcarisporiella thermophila, которая противодействует различным протеотоксическим событиям неправильной укладки», опубликована 27 декабря в онлайн-выпуске журнала «Структура».
Помимо Иоахимиака, в этом исследовании участвовала аргоннская исследовательница Каролина Михальска.