Исследователи из Университета Бен-Гуриона раскрыли принципы сборки белковых комплексов

Исследователи из Университета Бен-Гуриона в Негеве выявили простые правила, объясняющие, как сложные белковые структуры организуются правильным образом и сохраняют свою функциональность в течение длительного времени, несмотря на существование тысяч теоретически возможных конфигураций.

«Полученные результаты демонстрируют, как эволюционные ограничения могут быть закодированы в виде своего рода трехмерного пазла», — заявил профессор Габриэль Франк с кафедры наук о жизни университета. Результаты исследования были опубликованы в престижном научном журнале PNAS.

Многие белки функционируют как комплексы, состоящие из нескольких субъединиц. В ходе эволюции иногда происходит дупликация гена, и комплексы, которые были построены из идентичных субъединиц, могут превратиться в комплексы, состоящие из разных субъединиц. Со временем каждая копия накапливает различные мутации и начинает специализироваться на другой роли. Таким образом происходит переход от гомомерного комплекса (состоящего из идентичных единиц) к гетеромерному (состоящему из разных единиц), в котором «биологическая работа» распределяется между различными субъединицами.

Этот эволюционный процесс приводит к тому, что если в прошлом одна субъединица выполняла все процессы самостоятельно, то теперь деятельность разделяется на несколько субъединиц, каждая из которых отвечает за другой этап или аспект того же действия. Этот процесс можно сравнить с переходом от одного человека, выполняющего все задачи в одиночку, к команде, работающей ради общей цели, где каждый член команды специализируется в другой области, что ведет к более эффективному исполнению.

В исследовании, проведенном под руководством профессора Габриэля Франка и профессора Раза Заривча с кафедры наук о жизни Университета Бен-Гуриона в Негеве, основное внимание уделялось бактериальным белковым комплексам, ответственным за хранение железа. В этих комплексах выполняются две жизненно важные функции: окисление железа и перенос электронов, которые не выполняются одной и той же субъединицей, а разделены между двумя различными типами субъединиц.

С помощью электронного микроскопа высокого разрешения и передового вычислительного анализа исследователи выявили два основных принципа, направляющих процесс сборки. Одно правило предотвращает соединение определенных субъединиц друг с другом и, таким образом, заранее исключает многие нефункциональные структуры. Второе правило отдает предпочтение связям, которые сближают две жизненно важные функции белка — окисление железа и перенос электронов.

Исследовательские группы обнаружили, что в отличие от простых белковых составов, построенных из идентичных субъединиц, бактериальный белковый комплекс состоит из двух различных типов субъединиц, каждая из которых имеет уникальную роль. Несмотря на это, соотношение типов субъединиц в комплексе может меняться, что, по всей видимости, должно было нанести ущерб функционированию.

«Несмотря на то, что существуют тысячи способов организации субъединиц, мы обнаружили, что на практике появляется лишь несколько конфигураций, — говорит профессор Раз Заривч, один из соавторов исследования. — Этот вывод свидетельствует о том, что процесс сборки направляется базовыми правилами, а не случайностью».

«Сочетание этих правил резко сокращает количество возможных конфигураций и в то же время сохраняет структурную гибкость», — пояснила Даниэль Штейн, докторант, изучавшая систему.

По словам профессора Габриэля Франка: «Полученные результаты демонстрируют, как эволюционные ограничения могут быть закодированы в виде своего рода трехмерного пазла: хотя существует множество возможных конфигураций, только те, которые подчиняются небольшому числу правил, создают стабильную и функционирующую структуру без необходимости в сложных внешних механизмах контроля».

Путем анализа бактериального белкового комплекса нескольких различных видов исследователи показали, что эти правила сохраняются на протяжении всей эволюции. Этот вывод указывает на более широкий и гораздо более простой биологический принцип: сложные молекулярные системы могут сохранять стабильность и функциональность с помощью ограниченного числа структурных ограничений и без необходимости во внешнем контроле сборки.

В исследовательскую группу вошли ученые из Университета Бен-Гуриона в Негеве во главе с профессором Разом Заривчем и профессором Габриэлем Франком с кафедры наук о жизни и Института нанонауки и технологий имени Ильзе Кац при университете. Также в работе участвовали докторант Даниэль Штейн с кафедры наук о жизни, доктор Ширан Дрор, доктор Ран Зелек и доктор Анат Шахар из Института нанонауки и технологий имени Ильзе Кац; доктор Бруно Жерто с кафедры компьютерных наук. Кроме того, исследовательская группа включала международное сотрудничество, в том числе доктора Рене Оабе с кафедры микробиологии Байройтского университета в Германии и доктора Трейси Чиа-Тинг Кубкова-Юэ с кафедры исследований организмов Гейдельбергского университета в Германии.