Пущинские ученые поставили под сомнение общепринятую структуру модели фибриллярного актина, которая с 60 годов прошлого века прочно закрепилась в учебниках молекулярной биологии и биофизики.
Структуру разновидности самого распространенного белка – актина – представляли в виде двойной спирали, но нестыковки новых экспериментальных данных с теорией подтолкнули исследователей к проверке этой модели. И не зря, она оказалась не достоверной: мономеры в фибриллах актина укладываются по принципу не двойной спирали, а лестницы. Это уточнение позволит повысить эффективность исследований в области фармакологии для лечения тяжелых мышечных патологий. Результаты работы опубликованы в International Journal o fMolecular Science.
Самый распространенный белок эукариот (к этому царству относятся все растения и животные, включая человека, а также грибы) – актин – был обнаружен учеными в середине прошлого века. Впервые его выделили из мышечной ткани в составе уже известного к тому времени белка миозина. Оказалось, что тот состоит из «чистого миозина» и белка, который его активирует. Этот второй белок и получил названия «актин». Впоследствии выяснилось, что он участвует во многих белок-белковых взаимодействиях, благодаря чему играет важную роль в подвижности клеток и поддержании ими своей формы. В клетке актин может существовать в двух формах: глобулярной (G-актин) и фибриллярной (F-актин). Взаимодействие фибриллярного актина с миозином служит основой для сокращения мышц.
С середины 60-х годов XX века считается, что фибриллярный актин в клетках эукариот укладывается в двойную спираль. Это предположение, навеянное открытием двойной спирали ДНК, позволило создать двухспиральную модель актина, которая стала общепринятой моделью и используетсяв учебниках по молекулярной биологии и биофизики. Но, несмотря на «легализацию» этой модели в науке, у группы учёных Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Института белка РАН и ряда других российских институтов возникли сомнения в ее достоверности.
К мысли о том, что фибриллярный актин, вероятно, имеет иное строение, подтолкнули нестыковки в интерпретации ряда результатов экспериментов с этим белком. Ранее, например, другой научной группой было показано, что введение дисульфидных связей между мономерами в фибриллярном актине приводит к разрушению его структуры (J. Mol. Biol. 2010, 395, 544–557). Тогда как из существующей на сегодняшний день двухспиральной модели актина следует, что это обстоятельство не должно повлиять на его фибриллярную структуру.
Противоречивыми оказались данные и по отдельным участкам фибриллярного актина, защищённым от воздействия протеаз – ферментов, расщепляющих пептидные связи в молекулах белков. Методом ограниченного протеолиза и масс-спектрометрического анализа было определено, что эти участки оказываются недоступными растворителю, тогда как в двухспиральной модели актина эти участки должны быть доступны действию протеаз.
«Большая защищенность этих участков от воздействия протеаз свидетельствует о том, что они входят в остов фибриллярного актина, для которого характерна плотная упаковка боковых групп. Такая упаковка приводит к экранированию протяженных участков полипептидной цепи по отношению к воздействию протеаз, а значит и уменьшению площади поверхности, доступной растворителю, в сравнении с мономерной формой актина. Нами были рассчитаны площади поверхностей, доступные растворителю для мономерной и нескольких фибриллярных структур актина, представляющих двойную спираль и состоящих из 16, 14, 12, 10 и 8 мономеров, соответственно. Было показано, что для всех участков, кроме одного, площадь доступной растворителю поверхности одинакова как для мономерного актина, так и для актина, входящего в структуру фибриллы. То есть в данных структурах эти участки должны быть одинаково доступными для воздействия протеаз, как в мономерной так и в фибрилярных структурах, что вступает в противоречие с экспериментальными данными», - рассказывает руководитель работы Оксана Валериановна Галзитская, ведущий научный сотрудник ИТЭБ РАН и главный научный сотрудник ИБ РАН.
С помощью трансмиссионного электронного микроскопа были получены микрофотографии фибриллярного актина, по которым удалось прояснить причину несоответствий результатов экспериментов и имеющихся теоретических данных. Оказалось, что актиновые фибриллы не являются двойной спиралью, их мономеры соединяются друг с другом по типу лестницы.
«Конечно, результаты удивили нас, - отмечает руководитель.- Актин образует природные фибриллы, и нам было необходимо понять, как строятся эти природные филаменты, чтобы ответить на вопрос об амилоидообразовании/фибриллообразовании для других белков и пептидов. Оказалось, что для всех изученных нами белков и пептидов, фибриллы строятся по одному принципу: идёт укладка олигомерных/мономерных структур по типу лестницы».
Исправление ошибок в модели фибриллярного актина позволит повысить эффективность исследований и разработок фармпрепаратов для лечения заболеваний, связанных с дефектами актиновых молекул, которые приводят к нарушениям формирования актиновыхфиламентов. Речь идёт прежде всего, об актиновой и немалиновой миопатиях – тяжелых формах генетических мышечных патологий, которые проявляются выраженной гипотонией и слабостью мышц, серьезно влияют на качество и продолжительность жизни.
На фото авторский коллектив: Оксана Галзитская, Анна Глякина, Мария Суворина, Лия Бобылева, Иван Вихлянцев, Сергей Гришин. На столе модель мономера белка актина.
Фотография и материал пресс-службы ИТЭБ РАН