Ученые из Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН вместе с коллегами из Москвы, Минска и Берлина определили пространственную структуру белка тутового шелкопряда.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
У этих насекомых белок BmCBP очень похож на белок STARD3. Транспортный белок STARD3 способствует накоплению каротиноидов — органических пигментов — в сетчатке человеческого глаза. Именно они работают в так называемом желтом пятне сетчатки, защищая ее от окислительного стресса и дегенерации.
Семейство стероидогенных регуляторных белков (steroidogenic acute regulatory lipid transfer, или START) отвечает за транспортировку различных гидрофобных (нерастворимых в воде) субстанций между разными тканями, клетками и частями клеток эукариот. У людей есть 15 белков из этого семейства, различающихся по специализации: одни переносят желчные кислоты, другие — различные стероидные гормоны, третьи — каротиноиды или другие молекулы. В структуре каждого такого белка образуется специальная полость, внутри которой связывается молекула липида (жироподобного вещества). Минимальный фрагмент этого белка, который может выполнять эту функцию, называется START-домен, или STARD. В зависимости от репертуара связываемых липидов START-белки получили разную нумерацию (от 1 до 15). По строению полости у белков START отличаются, что и определяет, какие липиды с ними будут связываться.
Ученые детально сравнили структуру белка STARD3 и родственного ему белка BmCBP тутового шелкопряда Bombyx mori и определили, какую трехмерную форму принимает этот белок для выполнения своей функции. Исследование показало, что белок BmCBP способен связывать каротиноиды различной природы, в том числе зеаксантин, лютеин, кантаксантин, астаксантин и другие, которые особенно важны для здоровья человека. С помощью направленного введения мутаций было показано, какие аминокислотные остатки белка BmCBP определяют его способность связывать каротиноиды, а также было обнаружено, что BmCBP гораздо более эффективен по части связывания каротиноидов, чем белок STARD3 человека.
Летом этого года та же группа ученых опубликовала статью, в которой была показана возможность получения функционального комплекса белка BmCBP с каротиноидами непосредственно в клетках кишечной палочки. Такое открытие позволяет получать физиологически активные формы каротиноидов в комплексе с водорастворимым белком BmCBP в клетках E.coli в биотехнологических масштабах.
Эти данные объясняют молекулярный механизм захвата и доставки каротиноидов белками START-семейства. Это открывает и новые возможности для биотехнологического производства и биомедицинского применения этих белков, в том числе для лечения различных заболеваний в долгосрочной перспективе. Ученые считают, что данный белок можно будет использовать в том числе и для адресной доставки антиоксидантов.
Результаты опубликованы в престижном научном журнале Structure. Исследование проводилось при поддержке национального проекта «Наука и университеты».
Юрий Слонимский, младший научный сотрудник группы «Белок-белковые взаимодействия» ФИЦ биотехнологии РАН, один из авторов научной статьи:
— Что такое транспортные белки? За что они отвечают?
— Транспортные белки — это такие белки, которые способны транспортировать различные вещества внутри клетки, между клетками или через клеточную мембрану. Такие белки крайне разнообразны. Так, например, белок крови гемоглобин по функции больше похож на курьера: он переносит кислород из легких ко всем остальным органам, а транспортер глюкозы выполняет роль таможенника, обеспечивая перенос сахара через мембрану (границу) клетки из крови.
Изученный нами белок BmCBP обеспечивает перенос каротиноидов через клетки кишечника и прядильных желез тутового шелкопряда. Каротиноиды — это крайне распространенные в природе жирорастворимые пигменты и антиоксиданты, знакомые всем нам тем, что содержатся в моркови, кукурузе и многих других продуктах питания. Вот такая транспортировка каротиноидов с помощью белка в итоге придает производимому шелку некоторых пород шелкопряда золотистый и желтый оттенок. Без BmCBP шелкопряд не способен нормально усваивать каротиноиды, а шелк из-за отсутствия желтого пигмента становится белым.
— Почему ученые решили исследовать белок BmCBP шелкопрядов?
— Белок BmCBP — это представитель большого и важного семейства белков (очень похожие белки есть и в организме человека), и именно для него была убедительно показана способность связывать и переносить каротиноиды. Структура самого белка и его комплекса с каротиноидом оставалась неизученной. В свою очередь, исследование структуры белков необходимо для понимания молекулярного механизма их работы, знание которого позволяет расширить работу в том числе и на подобные белки человека, а также научиться применять такие белки для прикладных задач.
— Как проходило исследование?
— В рамках большого проекта по исследованию каротиноид-связывающих белков мы на основании данных литературы выделили самых перспективных кандидатов для исследования их структуры (один из них — BmCBP). Наш коллектив прошел полный путь от получения и модификации гена данного белка до кристаллизации и расшифровки пространственной структуры. В процессе работы видоизмененный ген из шелкопряда был перенесен в клетки бактерий, которые использовались как «живые фабрики» по производству данного белка, после чего следовали стадии очистки и кристаллизации. Попутно нами были созданы различные методики насыщения BmCBP каротиноидами как из бактериальных клеток, так и из легкодоступного растительного сырья. Эта часть работы, посвященная применению белка BmCBP для экстракции и доставки каротиноидов, вошла в состав отдельной публикации в журнале International Journal of Biological Macromolecules. История про тутового шелкопряда попала на обложку журнала Structure (https://www.cell.com/structure/issue?pii=S0969-2126(21)X0013-5).
— Что оно показало?
— Нам впервые удалось получить структуру START-домена, связанного с каротиноидом, и установить, как именно этот и подобные ему белки могут связывать молекулы каротиноидов. Для лучшего понимания: домен — это функциональный упорядоченный участок белка, а START — это домен, связывающий жирорастворимые вещества, описанный впервые для белка StAR, необходимого для синтеза стероидных гормонов.
Правильность предложенного нами механизма удалось экспериментально подтвердить путем аминокислотных замен в белке в показанном нами участке взаимодействия: замены важных для связывания аминокислот приводили к потере белком способности связывать каротиноиды.
— Как можно использовать полученные результаты для здоровья человека?
— Наше исследование показывает, как START-домен в действительности связывает и переносит каротиноиды, а это своего рода рецепт для создания наномодуля для направленного транспорта и доставки веществ. В будущем это позволит создавать инструменты для адресной доставки широкого спектра нерастворимых в воде соединений, в том числе потенциальных лекарств.