Он режет, кромсает и защищает организм от повреждений: трехмерная структура белка, помогающего в борьбе против патогенов

Необходимое оружие в борьбе организма с инфекциями приобрело четкие очертания. Исследователи из Университета Принстона (Princeton University, США) раскрыли трехмерную структуру фермента, который «режет» генетический материал вирусов и помогает в защите от бактерий.

Открытие структуры фермента, находящегося на первой линии ответа иммунной системы организма, могло бы способствовать разработке новых стратегий борьбы с инфекционными агентами и, возможно, такими заболеваниями, как рак предстательной железы и ожирение. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

«До настоящего момента у ученых отсутствовала структурная модель фермента РНКазы L (RNase L) человека», - рассказывает Алексей Коренных (Alexei Korennykh), доцент молекулярной биологии, руководитель исследовательской группы из Университета Принстона, сделавшей открытие.

«Теперь, когда мы изучили структуру РНКазы L человека, мы стали понимать влияние онкогенных мутаций в гене этого фермента. Например, члены семей с наследственным раком предстательной железы часто несут генетические мутации в локусе (участке хромосомы), кодирующем РНКазу L», - говорит Коренных. Взаимосвязь настолько сильна, что этот локус также получил название «наследственный рак предстательной железы 1».

«Открытая недавно структура фермента позволяет определить положение этих мутаций и объяснить, почему некоторые из них могут быть разрушительными, и возможно, приводят к развитию рака», - поясняет Коренных.

Кроме того, РНКаза L необходима для активности инсулина и связана с развитием ожирения.

Работа группы из Принстона также позволила установить функции фермента.

Исследуемый фермент играет важную роль в механизме врожденного иммунитета – быстрого ответа против патогенов, включающего выработку интерферона. Интерферон передает сигналы тревоги от инфицированных клеток к соседним здоровым клеткам, активируя, таким образом, способность РНКазы L разрезать РНК. В результате новые клетки вооружаются для разрушения чужеродной РНК.

Трехмерная структура, установленная Коренных и его командой, показывает, что фермент состоит из двух почти идентичных субъединиц – протомеров. Исследователи установили, что один протомер находит и присоединяется к РНК, в то время как другой разрезает ее.

Инициаторный протомер ухватывается за уридин – один из нуклеозидов, входящих в состав РНК. Другой протомер «считает» нуклеозиды, начиная с уридина, пропуская строго один, и затем режет РНК.

Несмотря на то, что фермент способен разрезать любую, даже собственную РНК клетки, он делает это только после активации интерфероном.

«Мы были удивлены, обнаружив, что два протомера идентичны, но выполняют разные функции: один – связывание, а другой – разрезание, - рассказывает Коренных, - Ферменты обычно имеют определенные сайты, которыми они связываются с субстратом и катализируют реакции. В случае с РНКазой L, похоже, что один и тот же участок белка способен и связываться, и катализировать реакцию. Одна субъединица случайным образом выполняет связывающую функцию, в то время как другая идентичная субъединица уже не имеет выбора и осуществляет реакцию».

Для открытия структуры фермента исследователи сначала кристаллизовали РНКазу L. Главной проблемой стал поиск правильной комбинации химических веществ, которые бы ускорили кристаллизацию фермента, не разрушив его.

После долгих проб и ошибок с помощью автоматизированной системы доцент Джесс Донован (Jesse Donovan) и аспирант Ючен Хан (Yuchen Han) добились успеха в получении кристалла.

Затем кристаллы были обстреляны мощным рентгеновским излучением, которое отклонялось при ударе лучей об атомы кристалла, и формировало паттерны, указывающие на кристаллическую структуру. Паттерн дифракции (огибания) показал организацию атомов фермента в пространстве.

В то же самое время Снеха Рат (Sneha Rath), выпускник лаборатории Коренных, исследовал механизм расщепления РНК ферментом РНКазой L, используя синтетические фрагменты РНК. Результаты Рат согласовывались с данными о структуре, полученными Хан и Донованом; эти два набора данных однозначно указывали на механизм расщепления ферментом своей мишени.

Кроме того, старший специалист-исследователь Джена Уитни (Gena Whitney) и аспирантка Алиса Читракар (Alisha Chitrakar) провели дополнительные исследования РНКазы L на клетках человека, подтвердив трехмерную структуру.

По мнению Коренных, теперь, когда вопрос структуры фермента решен, исследователи могут искать путь усиления или угнетения активности фермента для применения в медицине и исследованиях.

«Эта работа иллюстрирует поразительную пользу проведения как кристаллографического, так и точного кинетического и ферментативного анализов одновременно», - говорит Питер Уолтер (Peter Walter), профессор биохимии и биофизики Медицинской Школы при Калифорнийском Университете Сан-Франциско (University of California-San Francisco School of Medicine, США).

Исследователи из Принстона расшифровали трехмерную структуру фермента РНКазы L, расщепляющего РНК и являющегося участником первой линии защиты системы врожденного иммунитета. Фермент состоит из двух субъединиц, представленных в виде двух частей ножниц. (фото: Sneha Rath. Inset courtesy of Science)

По материалам Princeton University

Оригинальная статья:
Y. Han, J. Donovan, S. Rath, G. Whitney, A. Chitrakar, A. Korennykh. Structure of Human RNase L Reveals the Basis for Regulated RNA Decay in the IFN Response. Science, 2014; DOI: 10.1126/science.1249845