Хрусталик человеческого глаза состоит из высококонцентрированного белкового раствора, который придает глазу его высокую преломляющую способность. Тем не менее, несмотря на такое высокое содержание белка, линза глаза должна оставаться прозрачной и прозрачной. С этой целью клетки хрусталика глаза разработали замечательную стратегию: они выбросили за борт сложный механизм, присутствующий во всех других клетках человеческого тела для создания и расщепления белков.
Вместо этого белки хрусталика создаются только один раз в жизни — во время эмбрионального развития. Они стары, как сам организм. Чтобы они прослужили всю жизнь, белки постоянно хранятся в растворенном состоянии.
Если они слипаются, хрусталик затуманивается, и у пациента появляется катаракта.
Альтернатива хирургии
На сегодняшний день это состояние можно было вылечить только хирургическим путем, заменив помутневший хрусталик искусственным. Однако, если бы был понят точный механизм, с помощью которого белки хрусталика остаются в растворенном состоянии, это открыло бы новые возможности для лечения.
Итак, как клетке удается так долго сохранять растворимость белков?? Магия заключается в двух белках, ?А-кристаллин и его родственник, ?B-кристаллин. Это самые известные представители класса так называемых малых белков теплового шока.
Они играют важную роль во всех клетках человека, поскольку предотвращают превращение других белков в бесполезные скопления при воздействии сильного тепла или клеточного стресса.
Как именно выглядят эти защитные белки и как они действуют, долгое время оставалось загадкой, несмотря на интенсивные исследования. «Большая проблема в анализе этих двух типов кристаллина заключается в их огромном разнообразии», — объясняет Йоханнес Бухнер, профессор биотехнологии Technische Universitaet Muenchen. "Эти белки существуют как смесь очень разных форм, каждая из которых содержит различное количество субъединиц. Из-за этого очень сложно отличить отдельные конструкции друг от друга."
Молекулярный переключатель
В 2009 году в очень тесном сотрудничестве с Севиль Вайнкауф, профессором электронной микроскопии Технического университета Мюнхена, была проведена первая часть ?Загадка B-кристаллина встала на свои места. Команда успешно расшифровала молекулярную структуру наиболее важной формы этого универсального белка — молекулы, состоящей из 24 субъединиц.
В нормальных условиях я.е. когда клетка не подвергается стрессу, этот комплекс является наиболее распространенным вариантом. Однако это просто неактивная форма, которая мало способствует предотвращению скопления других белков. Было ясно, что должен быть другой молекулярный переключатель, который запускает защитный белок.
Именно этот спусковой механизм сейчас обнаружила команда во главе с Бюхнером и Вайнкауфом.
Когда клетка подвергается стрессу, например, при нагревании, фосфатные группы прикрепляются к определенной области белка. Отрицательные заряды этих фосфатов разрывают связи между субъединицами, и большие комплексы, следовательно, распадаются на множество более мелких, по шесть или двенадцать субъединиц каждая.
В результате этого распада области на концах комплексов становятся более гибкими, позволяя молекулам стыковаться с разными партнерами, тем самым предотвращая их слипание — защитный белок теперь активен.
Междисциплинарное сотрудничество
Успех ученых связан, прежде всего, с междисциплинарным сочетанием биохимических и электронно-микроскопических методик. Согласование информации из двумерных изображений распада белка с разнообразными трехмерными структурами ?B-кристаллин оказался особенно трудным. «Представьте, что у вас есть всего несколько снимков тени от кофейной чашки, и вы хотите определить по ним форму чашки», — объясняет Вейнкауф, чтобы проиллюстрировать проблему. "А теперь, если вы думаете, что это звучит сложно, представьте, что у вас есть не одна чашка, а шкаф, полный фарфора, который вы хотите вывести из отбрасывания теней.
Именно эту грандиозную задачу мы встретили ?B-кристаллин."
Новое понимание ?Механизм действия B-кристаллина составляет прочную основу для новых терапевтических подходов. Например, можно разработать лекарство для лечения катаракты: оно вызовет ?Механизм активации B-кристаллина для устранения помутнения глазных линз. Но ?B-кристаллин также играет роль в клетках других тканей.
Например, в раковых клетках он слишком активен и препятствует так называемой запрограммированной гибели клеток. В этом случае новое лекарство будет направлено на подавление белка.