Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Франции, Германии и Испании одними из первых в мире раскрыли и изучили структуру высокого разрешения белка из нового семейства гелиородопсинов. В свое время открытие канальных родопсинов привело к появлению оптогенетики — методики управления нервными или мышечными клетками в живом организме с помощью света. Работа была поддержана Российским научным фондом и Российским фондом фундаментальных исследований.
Димер гелиородопсина 48С12 в мембране (серые диски)
© K. Kovalev et al.
Оптогенетика основана на внедрении в мембрану нейронов специальных белков — опсинов, реагирующих на возбуждение светом. Исследования в этой области открывают новые возможности в терапии болезни Паркинсона, депрессии, тревожности и эпилепсии. Родопсины относятся к обширной группе опсинов. Эти белки содержат специальную группу — ретиналь, при поглощении фотона которой белок активируется. На сегодня с помощью геномных и метагеномных исследований найдено более 10 тысяч генов родопсинов. Родопсины имеются у бактерий, архей, эукариот и гигантских вирусов и вносят основной вклад в захват солнечной энергии в океане.
Огромное разнообразие белков, их биологическая важность и многочисленные биотехнологические приложения создают необходимость изучения их структуры. Понимание структуры белка помогает определять механизмы действия и даже функции. Большой вклад в развитие этой области традиционно вносят сотрудники Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ. В прошлом году сотрудниками центра были расшифрованы структуры белка KR2 и родопсина из гигантского вируса.
Несмотря на различия свойств и структур родопсинов, их ориентация в мембране обычно одинакова. Белки имеют два конца, называемые N- и C-, по наличию амино- и карбоксильной группы соответственно. Все известные родопсины ориентированы в мембране таким образом, чтобы N-концевой фрагмент оказывался снаружи клетки. Однако у недавно открытого семейства гелиородопсинов всё перевернуто с ног на голову: N-конец располагается внутри клетки. Сотрудниками лаборатории впервые расшифрована структура представителя этого семейства, белка 48C12, показаны ключевые отличия от известных родопсинов и сделано предположение о функции гелиородопсинов.
«Гелиородопсины — необычные белки. Полученные нами структуры высокого разрешения продемонстрировали как их уникальную глобальную архитектуру, так и детали внутреннего устройства и взаимодействий между ключевыми аминокислотными остатками», — говорит аспирант МФТИ Кирилл Ковалёв, один из первых авторов работы.
Карты электронной плотности высокого качества определяют наличие аниона ацетата в активном центре гелиородопсина 48С12. Изображение предоставлено авторами исследования
Ученые смогли проанализировать структуру белка 48C12 в двух состояниях и сравнить ее со структурами других микробных родопсинов. Так, было показано, что внутри белка, в его цитоплазматической части, находится полость, заполненная большим количеством молекул воды. В одном из полученных состояний белка в полости была обнаружена молекула ацетата. Таким образом, полость может играть роль «активного центра» белка, в котором происходит связывание субстрата, такого как нитрат или карбонат. Несмотря на это предположение авторов, функция и биологическая роль гелиородопсинов остается неизвестной.
Валентин Горделий, научный координатор Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, поясняет:
«Столь необычная структура белка и его свойства позволяют нам предположить энзиматическую функцию гелиородопсинов. Кроме того, наша работа показала, что среди этого семейства могут быть выделены группы белков с различными функциями».
Таким образом, ученые расшифровали структуру гелиородопсина 48С12 и показали принципиальное отличие от других микробных родопсинов. Результаты работы открывают новые возможности для дальнейшего изучения гелиородопсинов.
