Биофизики обнаружили невидимые ионы цинка в «восхитительном» рецепторе
Команда учёных из Московского физико-технического университета и Института биоорганической химии РАН совместно с коллегами из Чанчуньского института прикладной химии показала наличие функционально значимых ионов цинка в рецепторе, ответственном за врождённый иммунитет человека. Исследование опубликовано в Communications Biology.
Иммунная система человека имеет двойственную природу: врождённый и приобретённый иммунитет. Компоненты системы врождённого иммунитета изначально «запрограммированы» на распознавание определенных патогенов, в то время как компоненты приобретённого иммунитета постоянно обучаются обнаружению новых «чужаков», проникающих в организм. Клетки системы врождённого иммунитета узнают так называемые «паттерны патогенности» — фрагменты патогенов — с помощью особых мембранных белков-рецепторов. К таким белкам относятся toll-подобные рецепторы. Когда-то строение этих рецепторов поразило учёных, слово «toll» в их названии в переводе с немецкого означает «восхитительные». Структура toll-подобных рецепторов действительно впечатляет. Эти мембранные белки имеют огромные внеклеточные части, которые обеспечивают связывание с компонентами патогена. Внутриклеточные домены таких рецепторов гораздо меньше и невзрачнее, однако именно они обеспечивают передачу сигнала об опасности внутрь клетки и запуск молекулярных каскадов, нацеленных на уничтожение патогена.
Учёные из МФТИ совместно с коллегами из ИБХ изучали структуру внутриклеточной части человеческого toll-подобного рецептора 1 (TLR1). Исследователи обнаружили странное несоответствие данных, полученных разными методами. Все имевшиеся данные о трёхмерной структуре кристаллов TLR1, полученные методом рентгеноструктурного анализа, указывали на наличие химической связи между двумя аминокислотами-цистеинами во внутриклеточном домене, так называемого дисульфидного мостика. Однако анализ трёхмерной структуры TLR1 в растворе методом ядерного магнитного резонанса, напротив, показал наличие подвижной, неупорядочненной структуры исследуемой области.
«Такое несоответствие натолкнуло нас на мысль, что два цистеина могут быть расположены рядом не из-за того, что они формируют дисульфидный мостик, а потому, что они, связывают, или, как говорят химики, „координируют“ ион металла, а именно цинка», — объясняет Константин Минеев, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник ИБХ РАН.
Для того, чтобы проверить эту гипотезу, учёные изучили способность внутриклеточной части TLR1 связывать цинк в растворе. TLR1 оказался способен прочно связывать цинк из окружающего раствора. Для точного определения участка связывания цинка в TLR1 исследователи применили метод точечного мутагенеза, получив мутанты TLR1, в которых один из нескольких цистеинов был заменен другой аминокислотой. Замена тех самых цистеинов, которые образовывали дисульфидный мостик в кристаллических структурах, приводила к потере способности TLR1 связывать цинк и «выключению» рецептора.
«Сопоставив данные, полученные различными методами, мы пришли к выводу, что дисульфидный мостик — неизбежный артефакт процесса формирования кристаллов для данного белка. На самом деле, когда белок находится в клетке в водном окружении, эти два цистеина образуют участок связывания цинка, причём этот участок критически важен для функционирования белка», — рассказывает Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследования молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Результаты экспериментов были уточнены и дополнительно подтверждены методом компьютерного моделирования. Вычислительные эксперименты позволили прояснить детали того, как TLR1 взаимодействует с цинком и какие изменения в молекуле рецептора при этом происходят. Важность связывания цинка для функционирования TLR1 также подтвердилась в экспериментах на линиях клеток человека.
Обнаруженная коллективом учёных из МФТИ, ИБХ и Чанчуньского института прикладной химии способность toll-подобного рецептора TLR1 человека связывать ионы цинка, подтверждённая структурными данными и результатами молекулярного моделирования, — это важное фундаментальное открытие. Полученный результат станет основой для дальнейших исследований механизмов работы toll-подобных рецепторов. В то же время результаты исследований toll-подобных рецепторов имеют существенное значение для медицины. Понимание механизмов работы рецепторов врождённого иммунитета позволит создать новые лекарственные препараты, а также понять механизмы нарушения врождённого иммунитета при заболеваниях.