В новом исследовании из Университета Умео (Umea University), опубликованном в журнале Science Advances, ученые открывают новые горизонты не только в биологической перспективе, но и в отношении технических достижений в области лечения кардиологических заболеваний.
Актуальность проблемы
Механизмы функционирования мышц до конца не изучены на молекулярном уровне. Для осуществления необходимых для жизни реакций белкам важно изменить свои трехмерные структуры. Эта врожденная гибкость была закодирована в аминокислотной последовательности белка во время эволюции. Чтобы понять функцию белка на молекулярном уровне, необходимо составить карту того, как движутся белковые компоненты, то есть как происходит переход белка между различными промежуточными состояниями.
Некоторые из этих промежуточных состояний могут быть стабилизированы, что позволяет проводить структурное определение, но большинство состояний, к сожалению, недостаточно устойчивы для таких экспериментов. Снимая реакцию с помощью быстрых рентгеновских импульсов непосредственно в естественной среде, можно проследить развитие промежуточных состояний без необходимости использования искусственных методов стабилизации, таких как кристаллизация. Поскольку структурные изменения являются тонкими, эксперименты проводятся на синхротронах, которые могут осаждать 1010 фотонов на образце в течение 100 пикосекундного импульса. Этот новый метод до сих пор был ограничен светочувствительными белками, поскольку белковая реакция инициируется лазерным импульсом.
Материалы и методы обследования
В серии экспериментов на синхротроне ESRF в Гренобле, Франция, исследователи собирали рентгеновские данные с временным разрешением непосредственно на биологических мембранах саркоплазматического ретикулума, где находится до 90% белков SERCA.
Результаты научной работы
Автор исследования Магнус Андерссон (Magnus Andersson) показал, как белок, регулирующий мышечную релаксацию, претерпевает структурные изменения в критической фазе перекачки кальция из мышечной клетки. В новом исследовании Магнус Андерссон с соавторами инициировали реакцию лазерно-индуцированным высвобождением АТФ из светочувствительной неактивной формы АТФ.
«Большое количество светочувствительных веществ, например, нейромедиаторов и метаболитов, в принципе позволяет проводить подобные эксперименты для широкого круга важных белковых мишеней», – объясняет Магнус Андерссон.
Специфический белок, изучаемый в этом исследовании, регулирует мышечную релаксацию и, следовательно, имеет важное значение, например, для нормальной работы сердца. Чтобы позволить мышцам расслабиться, кальций, используемый во время сокращения, должен быть транспортирован обратно в саркоплазматический ретикулум (СР), который представляет собой трубчатую систему, окружающую мышечную клетку. Кальций не может пройти через мембрану СР сам по себе, но нуждается в активном перекачивании с помощью белка SERCA. Процесс перекачки требует энергии, и белок SERCA не будет запускаться без доступа к АТФ. Несмотря на несколько известных промежуточных структур, захваченных с помощью аналогов АТФ, структурная информация от критического перехода, когда белок транспортирует кальций обратно в хранилище СР, чтобы позволить мышце расслабиться, все еще неуловима.
Поскольку измерения проводятся на растворе, состоящем из множества круглых мембранных фракций, которые свободно перемещаются относительно друг друга, полученная структурная информация будет иметь низкое разрешение без детализации. Сегодня путь, ведущий к детальному молекулярному видению снятой реакции, далек от стандартизации. В ходе исследования ученые использовали возможности современных суперкомпьютеров и алгоритмов и сумели идентифицировать 2 структуры промежуточных состояний SERCA. В первом наблюдаемом состоянии через 1,5 миллисекунды белок замкнулся вокруг молекулы АТФ и перекачал кальций из мышечной клетки. Затем, через 15 миллисекунд, наблюдалось состояние с до сих пор неизвестной структурой, которое представляет собой белок в момент перед высвобождением кальция обратно в его хранилище СР. Наблюдение за новыми белковыми структурами помогает понять лежащие в их основе молекулярные механизмы функционирования мышц, что имеет решающее значение для понимания, например, сердечно-сосудистых заболеваний.
«Эксперименты по рассеянию рентгеновских лучей с временным разрешением не только позволяют определить структуру неустойчивых промежуточных продуктов, но и дают этим структурам временную метку. Таким образом, становится возможным определить, как различные промежуточные состояния развиваются с течением времени, и изучить, как кинетика этих реакций отличается от внешних сигналов, таких как РН, температура и химический состав, или в условиях, характерных, например, для мутационных заболеваний», – резюмирует Андерссон.
Авторы другого исследования заявили, что разработан новый инструмент изучения анатомии мышц.
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
