23.08.2021
ФизТех
1 021

Светочувствительные белки архей и эукариот оказались родственниками

4.6

Ученые из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ совместно с коллегами из Германии и США впервые получили и исследовали структуру светоактивируемого протонного насоса из грибов. Ее сравнили с известными структурами белков с такой же функцией. Оказалось, что белок имеет общего предка с протонным насосом микробов без мембран внутри. Однако он отличается от белков бактерий, в клетках которых есть мембраны, но нет ядра. Полученные результаты важны для дальнейших исследований белков в клетках людей.

Колонии архей / ©Getty images

Работа опубликована в журнале Communications Biology. Живые организмы делятся на три основных группы (домена) по наличию ограниченных мембранами областей в составе клеток. Археи (первый домен) не содержат никаких мембранных частей в клетках. Более сложно устроены бактерии (второй домен) — в их клетках присутствуют органеллы, окруженные мембранами.

Эукариоты (третий домен), в свою очередь, содержат и мембранные органеллы, и ядро в составе клеток. К последней группе относятся царства животных (в которое входят и люди), грибов, растений и некоторые одноклеточные организмы. Эволюционные отношения между представителями разных групп живых существ изучаются при помощи исследования и сравнения геномов и белков.

Ранее сравнение геномов многих животных показало, что светочувствительные белки в клетках выполняют чрезвычайно разные функции и присутствуют во всех царствах, а также во многих крупных вирусах. Наиболее распространенное семейство светочувствительных белков — родопсины. Родопсины первого типа состоят из семи пронизывающих мембрану клетки спиралей (рисунок 1).

Рисунок 1. а) Структура исследованного родопсина, б) Схема соединения спиралей белка / ©Communications Biology

Белки используют энергию света для активного и пассивного транспорта ионов через мембрану клетки, запуска сигнальных реакций и активации ферментов в клетках. Светочувствительные белки применяются в оптогенетике — методике исследования нервных импульсов, которые можно возбуждать при помощи света. Они считаются распространенными светособирающими белками на Земле и основными «световозахватителями» в океанах.

Учитывая повсеместное распространение родопсинов и их важную экологическую роль, нет сомнений в том, что эти белки сыграли значительную роль в эволюции жизни на Земле. На ранних этапах эволюции многие организмы могли использовать родопсины в качестве одного из дополнительных источников энергии, что давало им эволюционное преимущество.

Широкое разнообразие протонных помп, а также их древность позволяют исследовать глобальные эволюционные процессы по истории изменений этих белков. Однако родопсины эукариот исследованы менее обширно, так как их выделение и кристаллизация значительно сложнее. Авторы исследования использовали недавно разработанные ими же методы экспрессии (в системе LEXSY) для выделения родопсина первого типа из одноклеточного гриба.

Ученые кристаллизовали и получили структуру белка. Оказалось, что структура родопсина из гриба крайне похожа на структуру протонного насоса археи. Единственное значительное отличие было найдено во внутриклеточной части белка: петля ECL1 гораздо длиннее подобной у родопсина архей (смотрите рисунок 1).

Авторы изучили функции этой петли и обнаружили, что она связывается с внутриклеточным концом, тем самым повышая стабильность белка. Для определения эволюционных отношений между родопсинами ученые сравнили известные структуры и последовательности белков. Оказалось, что последовательности и структуры родопсинов эукариот крайне схожи с таковыми у белков архей.

Видимо, гены родопсинов подвергаются обширному горизонтальному переносу между организмами, что усложняет поиск общего предка. Однако высокое структурное сходство протонных помп архей и эукариот, наряду с функциональным сходством, представляет собой убедительное доказательство архейного происхождения эукариотических протонных родопсинов и, скорее всего, всех других эукариотических родопсинов.

«Мы получили первую кристаллическую структуру высокого разрешения светочувствительного протонного насоса из организма гриба и выяснили функциональную роль его N-концевой области. Исследованный родопсин был экспрессирован в системе LEXSY, затем мы его кристаллизовали. Значит, система экспрессии LEXSY может быть сильным инструментом для получения мембранных белков эукариот для структурных исследований. Мы также сравнили последовательность и структуру полученного родопсина со светочувствительными протонными помпами из разных царств.

Анализ показал, что эукариотические и архейные родопсины имеют глубокое структурное сходство, что подтверждает гипотезу об архейном происхождении родопсинов, найденных в геноме эукариот. Полученные результаты важны как для понимания эволюции животных, так и для дальнейших исследований родопсинов эукариот», — поясняет Дмитрий Забельский, сотрудник лаборатории химии и физики липидов Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, аспирант Физтех-школы физики и исследований имени Ландау МФТИ. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 12:19
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

Позавчера, 18:24
Илья Ведмеденко

Российские специалисты приступили к сборке первого спутника, оснащенного плазменным двигателем VERA. Такие аппараты можно будет применять для дистанционного зондирования Земли, выявления стихийных бедствий и других задач.

7 часов назад
Мария Азарова

Множество людей по всему миру привились вакциной CoronaVac китайского производства. По данным ученых из США и Доминиканской Республики, судя по всему, этот препарат практически не защищает от распространяющегося в последние месяцы омикрон-штамма с несколькими десятками мутаций в S-белке.

Позавчера, 12:19
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

Позавчера, 18:24
Илья Ведмеденко

Российские специалисты приступили к сборке первого спутника, оснащенного плазменным двигателем VERA. Такие аппараты можно будет применять для дистанционного зондирования Земли, выявления стихийных бедствий и других задач.

7 часов назад
Мария Азарова

Множество людей по всему миру привились вакциной CoronaVac китайского производства. По данным ученых из США и Доминиканской Республики, судя по всему, этот препарат практически не защищает от распространяющегося в последние месяцы омикрон-штамма с несколькими десятками мутаций в S-белке.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: