Science: Белок midnolin отвечает за выведение короткоживущих белков из клеток

Короткоживущие белки управляют экспрессией генов в клетках, выполняя целый ряд жизненно важных задач — от формирования связей в мозге до иммунной защиты организма. Эти белки создаются в ядре и быстро разрушаются после выполнения своей работы.

Несмотря на их важность, процесс расщепления и выведения этих белков из клеток после того, как они перестают быть нужными, десятилетиями не давал ученым покоя — до сих пор.

В результате совместной работы исследователи из Гарвардской медицинской школы выявили белок миднолин, который играет ключевую роль в деградации многих короткоживущих ядерных белков. В исследовании показано, что midnolin непосредственно захватывает белки и втягивает их в систему утилизации клеточных отходов, называемую протеасомой, где они разрушаются.

Результаты исследования опубликованы 24 августа в журнале Science.

Эти особые короткоживущие белки известны уже более 40 лет, но никто не установил, как именно они деградируют, — говорит соавтор исследования Синь Гу, научный сотрудник отдела нейробиологии HMS.

Поскольку белки, разрушаемые в ходе этого процесса, модулируют гены, выполняющие важные функции, связанные с мозгом, иммунной системой и развитием, ученые, возможно, со временем смогут направлять этот процесс как способ контроля уровня белков для изменения этих функций и устранения дисфункций.

Механизм, который мы обнаружили, очень прост и довольно элегантен, — добавил соавтор исследования Кристофер Нардоне (Christopher Nardone), кандидат наук в области генетики в HMS.

Это фундаментальное научное открытие, но оно имеет много перспектив для будущего.

Молекулярная загадка

Хорошо известно, что клетки могут разрушать белки, помечая их маленькой молекулой убиквитина. Эта метка сообщает протеасоме, что белки больше не нужны, и она их разрушает. Значительная часть пионерских исследований этого процесса была проведена покойным Фредом Голдбергом в HMS.

Однако иногда протеасома разрушает белки без помощи убиквитиновых меток, что заставило исследователей предположить существование другого, не зависящего от убиквитина механизма деградации белков.

В литературе встречались единичные свидетельства того, что протеасома каким-то образом может напрямую разрушать немеченые белки, но никто не понимал, как это может происходить, — сказал Нардоне.

Одной из групп белков, которые, по-видимому, деградируют по альтернативному механизму, являются факторы транскрипции, индуцируемые стимулом: Белки, быстро образующиеся в ответ на клеточные стимулы, доставляются в ядро клетки для включения генов, после чего быстро разрушаются.

Вначале меня поразило то, что эти белки крайне нестабильны и имеют очень короткий период полураспада — как только они вырабатываются, они выполняют свою функцию, после чего быстро разрушаются, — говорит Гу.

Эти транскрипционные факторы поддерживают целый ряд важных биологических процессов в организме, но даже после десятилетий исследований «механизм их оборота был практически неизвестен», как сказал Майкл Гринберг, профессор нейробиологии Натана Марша Пьюзи в Институте Блаватника при HMS и один из старших авторов статьи вместе со Стивеном Элледжем, профессором генетики и медицины имени Грегора Менделя в HMS и больнице Бригама и Женщин.

От горстки до сотен

Для изучения этого механизма команда начала с двух хорошо знакомых факторов транскрипции: Fos, широко изучаемого в лаборатории Гринберга в связи с его ролью в обучении и памяти, и EGR1, участвующего в делении и выживании клеток. Используя сложный белковый и генетический анализ, разработанный в лаборатории Элледжа, исследователи обратили внимание на миднолин как на белок, который помогает разрушать оба транскрипционных фактора. Последующие эксперименты показали, что помимо Fos и EGR1 миднолин может участвовать в разрушении сотен других транскрипционных факторов в ядре.

Гу и Нардоне вспоминают, что были шокированы и скептически отнеслись к своим результатам. Чтобы подтвердить свои выводы, они решили, что необходимо выяснить, как именно midnolin нацеливается на такое большое количество различных белков и разрушает их.

После того как мы идентифицировали все эти белки, возникло много загадочных вопросов о том, как на самом деле работает механизм миднолина, — говорит Нардоне.

С помощью инструмента машинного обучения AlphaFold, позволяющего предсказывать структуру белков, а также результатов ряда лабораторных экспериментов команде удалось уточнить детали механизма. Они установили, что миднолин имеет «Catch-домен» — область белка, которая захватывает другие белки и направляет их непосредственно в протеасому, где они расщепляются. Этот Catch-домен состоит из двух отдельных областей, связанных аминокислотами (представьте себе варежки на веревочке), которые захватывают относительно неструктурированную область белка, что позволяет midnolin захватывать множество различных типов белков.

Следует отметить такие белки, как Fos, которые отвечают за включение генов, побуждающих нейроны в мозге перестраиваться в ответ на раздражители. Другие белки, например IRF4, активируют гены, поддерживающие иммунную систему, обеспечивая создание функциональных В- и Т-клеток.

Наиболее интересным аспектом этого исследования является то, что мы теперь понимаем новый общий, независимый от убиквитинирования механизм деградации белков, — сказал Элледж.

Дразнящий трансляционный потенциал

В ближайшей перспективе исследователи хотят глубже изучить открытый ими механизм. Они планируют провести структурные исследования, чтобы лучше понять мелкие детали того, как миднолин захватывает и деградирует белки. Кроме того, они создают мышей, у которых отсутствует миднолин, чтобы понять роль этого белка в различных клетках и на разных стадиях развития.

По словам ученых, их открытие имеет заманчивый трансляционный потенциал. Возможно, это путь, который исследователи смогут использовать для контроля уровня транскрипционных факторов, что позволит модулировать экспрессию генов и, в свою очередь, связанные с ней процессы в организме.

По словам Гринберга, «деградация белков является важнейшим процессом, и ее дерегуляция лежит в основе многих расстройств и заболеваний», включая некоторые неврологические и психиатрические состояния, а также рак.

Например, когда в клетках слишком много или слишком мало факторов транскрипции, таких как Fos, могут возникать проблемы с обучением и памятью. При множественной миеломе раковые клетки становятся зависимыми от иммунного белка IRF4, поэтому его присутствие может подпитывать развитие болезни. Исследователи особенно заинтересованы в выявлении заболеваний, которые могут стать хорошими кандидатами для разработки терапии, работающей через миднолин-протеасомный путь.

Одна из областей, которую мы активно изучаем, — это настройка специфичности механизма, чтобы он мог конкретно разрушать интересующие нас белки, — сказал Гу.

24.08.2023