Белок затянул на клетке петлю

Ученые изучили механизм, с помощью которого клетки контактируют между собой. Оказалось, что классическое представление о белковой спирали в корне неверно. Зато теперь можно придумать, как легче доставлять лекарство в клетку.

Мембрана – это органическая структура, которая формирует оболочку и внутренние структуры клетки. Мембрану можно сравнить с оболочкой мешочка, наполненного цитоплазмой и погруженными в нее органеллами. Оболочка участвует в структурировании клетки; переносе ионов, питательных веществ и медикаментов. Внутри клетки мембрана формирует своеобразные «отделы» -- компартаменты. И тем самым разделяет функциональные зоны – ядро, плазматический ретикулум, органеллы. Именно благодаря мембране клетки отделены друг от друга и в то же время соединены в единое целое – ткани, органы, организм.

Наружная оболочка защищает клетку от проникновения вредных веществ. Но она также захватывает и переносит необходимые организму вещества. Этот процесс – эндоцитоз – происходит за счет мембранных образований – везикул.

Ученые знают, какие вещества и сигналы передаются между клетками, но пока не понимают как. Сотрудники Исследовательского института Скрипса (The Scripps Research Institute) и Национальных институтов здравоохранения (National Institutes of Health) попытались ответить на этот вопрос, изучив строение белка, который обеспечивает связь между клетками организма.

Клеточная связь

Связь между клетками организма, как и внутриклеточное взаимодействие, происходит с участием везикул. Эти маленькие «мембранные капсулы» перевозят необходимый клетке «груз» -- питательные и минеральные вещества в цитоплазму и к органеллам. Многие медикаменты также переправляются от клетки к клетке в «везикулярных вагончиках». Основную роль в формировании везикулы и ее отрыва от мембраны играет стуктурно-механический белок – динамин. Аналогичный процесс (эндоцитоз) происходит и при передаче сигнала между нейронами – клетками нервной системы. «Эндоцитоз – это способ взаимодействия клеток. Он лежит в основе многих физиологических процессов – от регуляции кровяного давления до выведения глюкозы», -- говорит Сандра Шмид (Sandra Schmid), сотрудница кафедры цитологии Исследовательского института Скрипса.

Загадочный динамин

Динамин относится к семейству ферментов, которые связывают и гидролизуют гуанозинтрифосфат (ГТФ) -- источник энергии для клеточных реакций. Большинство ученых считают, что в присутствии ГТФ и других белков динамин образует на поверхности мембраны своеобразную «пружинку», которая раскручивается и отрывает везикулу.

Несколько лет назад группа исследователей под руководством Сандры Шмид опубликовала данные, которые буквально бросили вызов имеющимся представлениям о динамине и эндоцитозе. Оказалось, что динамин не образует никакой спирали, а сохраняет конфигурацию круга, «обнимая» тем самым мембрану. Более того, динамин действует независимо от других белков. «Динамин – основной участник процесса клеточных взаимодействий. Он задействован на каждой стадии образования везикул», -- говорит Сандра Шмид.

Чтобы понять механизм работы динамина, ученым пришлось несколько лет создавать его аналог, пригодный для эксперимента. Дело в том, что динамин имеет слишком большую молекулярную массу (в его составе более 1000 аминокислот), поэтому не поддается кристаллизации и дальнейшему анализу. Джошуа Чаппи (Joshua Chappie) три года работала над тем, чтобы укоротить белок, сохранив при этом все его свойства.

Кристаллы уменьшенного динамина исследовали с помощью рентгеновской кристаллографии. Оказалось, что в молекуле динамина есть три аминокислоты, без которых невозможна реакция с ГТФазой. В обычном состоянии, когда мембрана не образует везикулу, он присутствует в нестабильной форме – в виде группировок по четыре молекулы, которые связаны между собой «молекулярным мостиком». В момент формирования везикулы, то есть когда клетка пропускает в цитоплазму «вагончики с грузом», динамин приобретает двумерную структуру и, подобно петле, выделяет на мембране необходимый участок, который он «обвязывает» и после «отрывает».

Визуально этот процесс можно сравнить с тем, как дети надувают лопнувший шарик. Безусловно, на молекулярном уровне все выглядит сложнее, в механизм вовлечены ГТФ, ГТФаза и ГДФ. Тем не менее упрощенно описанный механизм эндоцитоза и работы динамина, который удалось обнаружить американским ученым, может иметь совершенно конкретное прикладное применение. На основе этих данных можно разработать более эффективные фармакологические способы доставки медикаментов в клетки.

Результаты исследования опубликованы 28 апреля в журнале Nature.