Светочувствительные белки архей и эукариот оказались родственниками — Naked Science
23 августа
ФизТех

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, 19:09
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

Вчера, 17:21
Илья Ведмеденко

Одной из новинок международного авиационно-космического салона Airshow China 2021 станет разведывательно-ударный БПЛА CH-6. На показанных фотографиях его впервые можно рассмотреть детально.

Позавчера, 12:20
Алиса Гаджиева

Возможно, ценности были спрятаны от грабителей.

22 сентября
Василий Парфенов

Современная Красная планета представляет собой суровую безжизненную пустыню, однако геологические данные показывают, что некогда воды там было едва ли не больше, чем на Земле. Причин, по которым Марс потерял почти все необходимые для развития жизни ресурсы, предлагалось немало. Но теперь ученые обнаружили надежную корреляцию между размерами небесного тела и его способностью удерживать летучие вещества.

20 сентября
Илья Ведмеденко

20 сентября, в 10:10 (мск), должен состояться запуск ракеты-носителя «Чанчжэн-7» с грузовым кораблем «Тяньчжоу». Старт проведут в рамках программы строительства новой орбитальной станции «Тяньгун».

Позавчера, 19:09
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

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

Понятно
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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: