Йод проявляет структуру мембранных белков

Исследование международного коллектива ученых, в который вошли и специалисты из МФТИ, показало, что давно известный метод «йодного фазирования» в структурной биологии оказывается неожиданно универсальным, если нужно определить структуру белка, живущего в клеточной мембране. Структура таких белков позволяет на молекулярном уровне понимать зрение, обоняние, работу нервной и сердечно-сосудистой систем.

Авторы работы, опубликованной в Science Advances, успешно применили известный метод йодного фазирования на четырех различных мембранных белках из разных классов, и обнаружили, что йод одинаково взаимодействует со всеми белками. Это дает гарантию на успех работы метода в случае новых структур и обеспечивает быстрое определение структур, важных для ускоренной и дешевой разработки лекарств компьютерными технологиями.

Как известно, все живые организмы состоят из клеток. Все эти клетки, от кишечной палочки до человека, имеют общее строение. В частности, все клетки отделены от окружающего мира плотной клеточной мембраной, не пропускающей через себя большинство химических веществ. Такое уединение позволяет клетке поддерживать внутри себя постоянные условия, необходимые для отлаженной работы сложных биохимических механизмов. Однако, чтобы выжить, клетки должны внимательно наблюдать за изменениями внешней среды и своевременно реагировать на них. Для этого в геноме каждой клетки каждого организма закодированы сотни особых белков, встраивающихся в клеточную мембрану (и поэтому называющихся мембранными) и отвечающих за «общение» клетки с окружающим миром. Кроме того, такие белки могут переносить внутрь клетки химические вещества, которые не пропускает клеточная мембрана, но которые необходимы клетке для питания или проведения биохимических реакций.

Самый известный пример успеха структурной биологии — определение двухцепочечной структуры ДНК нобелевскими лауреатами Уотсоном и Криком в 1953 году. Элегантная модель, построенная ими, была разработана на основе структурных исследований их коллеги Розалинд Франклин. Двухцепочечная структура позволила объяснить процессы передачи генетической информации в клетках и заложила основу для современной биологии.

Кристаллография — основной метод структурной биологии. Она позволяет узнать структуру биологических молекул (чаще всего речь идет о белках) с точностью до атома. Такая точность позволяет не только увидеть основы работы белков, но и смоделировать их поведение, основываясь на законах физики.

Вся кристаллография построена на физическом явлении дифракции. Для измерения дифракционного сигнала на кристаллы белковых молекул светят рентгеновским излучением. При этом за счет того, что молекулы в кристалле хорошо упорядочены, сигнал многократно усиливается в определенных направлениях рассеяния, позволяя «засечь» его на фоне шума. Однако при этом во всех направлениях записывается лишь усредненный сигнал и теряются так называемые фазы. Они содержат информацию о том, насколько сигналы запаздывают друг относительно друга, и необходимы для определения структуры молекулы по данным дифракции. Потеря фаз немного похожа на то, как теряет свою ценность изображение при обесцвечивании: остается только «насыщенность» каждой отдельной точки, но детали о цвете теряются, не позволяя восстановить бóльшую часть информации.

Потеря информации при обесцвечивании изображения. Немного схожим образом теряется информация и в кристаллографии: при записи дифракционных данных остаются только интенсивности рассеянного рентгеновского света, а данные об их взаимосвязи пропадают бесследно.

На данный момент разнообразие решенных структур часто позволяет подбирать фазы компьютерными методами: сначала начальные фазы выбираются на основе какой-нибудь уже решенной структуры, а затем уточняются вручную. Однако этот подход часто не приводит к успеху. Особенно в случае данных низкого разрешения, типичных для мембранных белков, или абсолютно новых структур, не похожих ни на одну из предыдущих. В таких случаях фазы находят экспериментально, используя так называемую аномальную дифракцию, — особую несимметричность дифракционных сигналов, испускаемых тяжелыми химическими элементами (йод, гадолиний, бром или даже сера). Для того, чтобы метод сработал, эти элементы должны сильно связываться с молекулами белка в кристалле, чтобы быть так же хорошо упорядоченными и давать сильный дифракционный сигнал. Часто подбор правильного элемента требует много времени и тратит много ценных белковых кристаллов.

Исследователи показали, что метод гарантированно сработает в случае взаимодействия мембранных белков и ионов йода в растворе. Это связано с характерной особенностью всех мембранных белков в природе. Они устроены так, что на границе «мембрана-раствор» все белки несут положительный заряд, который компенсирует отрицательно заряженную поверхность мембраны. Йод сильно взаимодействует с этими зарядами и «садится» на белок в совершенно определенных местах, гарантируя успех экспериментального поиска фаз.

Место посадки йода в структурах разных белков. На A, B, C, D: слева — структура белка с отмеченными следами ионов йода (фиолетовым), справа — та же структура, встроенная в клеточную мембрану. Видно, что ионы йода (оранжевым) прикрепляются к белку на границе мембраны — именно там сконцентрирован выгодный для йода положительный заряд, нейтрализующий отрицательный заряд на поверхности мембраны. 
 

«В своей работе мы показали успешное решение структуры четырех уже известных белков из разных организмов: светочувствительной натриевой помпы из морской бактерии Krokinobacter eikastus, мембранного белка из кишечной палочки, аденозинового рецептора человека и протонной помпы из морской бактерии Marine Actinobacterial Clade. Все четыре структуры показали, что ионы йода действительно связываются с положительно заряженными аминокислотами в тех местах, где белок входит в мембрану. По сравнению с бромом, который иногда используют для решения фазовой проблемы, йод надежнее связывается с белком и гарантирует решение фазовой проблемы», — говорит Игорь Мельников, автор исследования, выпускник МФТИ и сотрудник Европейского центра синхротронной радиации.