Важно определить структурные изменения белка

Ученые Научно-исследовательского института биомедицинской химии имени В. Н. Ореховича (ИБМХ) выполнили анализ структурных изменений в структурах белков вблизи сайта фосфорилирования.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Посттрансляционные модификации белков (ПТМ) — это изменения, возникающие в белковой молекуле после синтеза (трансляции). Такие изменения играют важную роль в регуляции биологических процессов и развитии широкого спектра заболеваний: от рака до психических расстройств. Несмотря на большое количество информации о связи ПТМ с развитием патологии, остаются недостаточно изученными тонкие архитектурные изменения, которые белок претерпевает после модифицирования. На сегодня знания о ПТМ недостаточны для понимания молекулярных механизмов развития заболеваний.

Важным представляется изучение изменений после модифицирования на самом тонком структурном уровне — атомарном — с целью прогноза «работы» белка. Нами рассмотрено влияние фосфорилирования — одной из наиболее распространенных форм модифицирования — на структуру и функцию белка и предпринята попытка локализовать эффект в структуре белка.

Фосфорилирование белка — это важный биохимический процесс, при котором фосфатная группа присоединяется к аминокислоте в составе белка. Этот процесс играет ключевую роль в регуляции активности белка и взаимодействии с другими молекулами.

Ученые из разных стран собрали большое количество трехмерных моделей различных белков за последние десятилетия. Многие из них были исследованы неоднократно в различных вариантах и состояниях. В нашей работе были выбраны белки в международном банке данных трехмерных белковых структур Protein Data Bank, для которых доступны по меньшей мере две модели: с фосфорилированным участком и без него.

Полученные результаты были разделены на две категории: в первой структурные различия в окрестности сайта модификации были более заметными, чем изменения белка в целом, а во второй — изменения в окрестностях фосфорилированной аминокислоты были незначительными. Далее было выполнено сравнение этих групп между собой.

Модифицированные аминокислоты в белках были обнаружены как в упорядоченных участках белковой цепи, таких как -спирали и -тяжи, так и в неструктурированных областях. Выявлено, что эти изменения зачастую локализованы в областях перехода от неупорядоченных участков к регулярным структурам. После фосфорилирования белков была выявлена различная степень структурных и геометрических изменений в области до 15 аминокислотных остатков от сайта модификации.

В результате исследования выделена группа фосфорилированных белков с локальными структурными изменениями в ближайшем окружении сайта модификации, такими как изменение длины -спиралей, -листов и неструктурированных участков, а также уменьшение компактности белка. Это указывает на то, что модифицированные формы белков структурно отличаются от интактных форм. Таким образом, хотя фосфорилирование играет важную роль в регуляции активности белков, структурные изменения в модифицированных формах белка различны и подчинены сложной и разнообразной динамике.

Работа выполнена в рамках программы фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021–2030 годы) (№122092200056-9).

Nikolsky, K.S.; Kulikova, L.I.; Petrovskiy, D.V.; Rudnev, V.R.; Malsagova, K.A.; Kaysheva, A.L. Analysis of Structural Changes in the Protein near the Phosphorylation Site. Biomolecules 2023, 13, 1564. https://doi.org/10.3390/biom13111564

Кирилл Никольский, сотрудник группы биобанкинга ИБМХ, автор статьи, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Зачем изучать структуру белка?

— Изучение структуры белка позволяет уточнить его функции в организме. Понимание организации белка на тонком структурном уровне позволяет понять, какую он выполняет функцию в клетке, как взаимодействует с другими молекулами. Данные знания находят применение в области биомедицины, в том числе для разработки новых лекарственных средств и мишеней белковой природы.

— Почему важно проследить изменение структуры белка именно на атомарном уровне?

— Изменения структуры белка даже на атомарном уровне могут обуславливать модулирование его функции. Атомы и их взаимодействие формируют структуру белка, которая, в свою очередь, определяет его биологическую активность, или «работу». Так, присоединение относительно небольшой фосфатной группы к белку, состоящей всего из пяти атомов, зачастую приводит к активации или ингибированию функции белка. Данное явление в биологии называется фосфорилированием.

— Все ли белки изменяются одинаково?

— В своем исследовании мы показали, что, действительно, при фосфорилировании далеко не все белки меняют свою пространственную организацию. А наблюдаемые изменения могут быть изучены и охарактеризованы на структурном уровне. Некоторые белки проявляют структурную устойчивость при фосфорилировании и практически не изменяются. В то время как для других выявлен локальный эффект, то есть изменения структуры вблизи сайта модифицирования (фосфорилирования). Предполагается, что структурные изменения могут приводить к изменению функции белка. Например, хорошо известен природный механизм регуляции активности ферментов посредством фосфорилирования, при котором фермент изменяет свою трехмерную форму, что в конечном итоге приводит либо к активации, либо к дезактивации фермента. В своем исследовании мы затрагиваем только один аспект — изменение структуры белка вследствие модифицирования. Однако это явление очень широкое, к изменению структуры белка приводят различные физические и биологические факторы: высокая температура, изменение кислотности среды, взаимодействие с другими молекулами и многое другое. При этом ответ даже одного белка на два разных изменения окружения может отличаться, не говоря уже о разнице в реакции различных белков на такие изменения.

— Как знания о работе белка и возможность прогнозирования его поведения в тех или иных случаях помогут в лечении заболеваний?

— Понимание структуры, а также функций белка, без сомнений, помогает в создании не только новых лекарств, но и вакцин, белков с заданными свойствами, так называемых миметиков. Если ученые смогут эффективно прогнозировать, каким образом структурные изменения белка влияют на его «работу», можно создать лекарства, которые будут активировать желаемые полезные сигнальные пути в клетке и ингибировать нежелательные процессы, связанные с развитием патологии. На сегодня такие лекарственные средства активно разрабатываются и даже нашли клиническое применение для лечения, например, аутоиммунных заболеваний.

— На ваш взгляд, как будет развиваться это направление науки в дальнейшем?

— Подобные исследования в области «структура — функция» белка крайне важны. На сегодняшний день аннотированы данные о трехмерной структуре менее процента от всего множества возможных белковых форм человека. Методы предсказания трехмерной структуры белков с использованием нейронных сетей являются активно развивающимся направлением и уже приносят ощутимые результаты, хотя и еще не достигли вершины совершенства. Широкое использование таких методов для получения более обширных данных о структуре белков на атомарном уровне открывает путь как к увеличению числа новых эффективных терапевтических препаратов, так и к возможным качественным прорывам в понимании принципов функционирования белков.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки