Мембранные белки отвечают за различные важные клеточные активности, и их дисфункция может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Изучение структур мембранных белков и их поведения поможет ученым лучше понять их связь с заболеваниями и поможет в разработке терапевтических методов.
Группа исследователей под руководством Университета Вандербильта недавно пролила свет на то, как липиды вокруг них могут влиять на мембранные белки.
Разработав новый тип мембранной модели, ученые смогли показать, что форма и поведение белка могут быть изменены воздействием различных липидных составов.
Исследователи подтвердили структуру искусственной мембраны с помощью рассеяния рентгеновских лучей и нейтронов в Брукхейвенской (BNL) и Окриджской национальных лабораториях Министерства энергетики США (DOE). Их результаты были опубликованы в Журнале Американского химического общества.
«Эта работа показала, что белок может довольно сильно изменяться в различных мембранных липидных средах, и мы думаем, что это открывает совершенно новую область исследований», – сказал Чарльз Сандерс, профессор биохимии Университета Вандербильта и автор-корреспондент нового исследования.
Расположение липидов и модели клеточных мембран
Клеточные мембраны состоят из множества липидных молекул. Недавно исследования показали, что определенные липиды в клеточных мембранах могут объединяться в кластеры, также известные как рафты. Некоторые ученые предполагают, что рафты могут перемещаться по мембране и сосуществовать с разгруппированными молекулами. «Липидный плот подобен банде на вечеринке», – сказал Сандерс. "Они могут перемещаться по вечеринке, но всегда одни и те же люди разговаривают друг с другом."
Его лаборатория изучает, как рафты могут влиять на мембранные белки и связанную с ними клеточную активность. В своей новой работе Сандерс и группа исследователей создали синтетическую мембрану, способную включать в большом количестве две липидные молекулы, которые, как считается, составляют рафты в клеточных мембранах: холестерин и сфингомиелин.
Их подход включал разработку дискообразных биологических структур, известных как бицеллы, которые могут создавать упрощенную модель липидного бислоя клеточной мембраны.
«Холестерин и сфингомиелин повсеместно присутствуют в клеточных мембранах, но не присутствовали вместе в предыдущих версиях бицелл», – сказал Джон Катсарас, биофизик и ученый по рассеиванию нейтронов в ORNL и соавтор исследования. «Этот новый класс бицелл имеет липидный состав, который, по нашему мнению, является более биологически значимым."
Дополнительные методы дают исчерпывающий анализ
После разработки бицелл исследователи использовали методы малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей, чтобы точно определить форму материала и структурную организацию.
"Действительно сложно подтвердить фактическую морфологию двуцелл. Малоугловое рассеяние нейтронов и малоугловое рентгеновское рассеяние – единственные способы получить хорошую общую характеристику этих частиц », – сказал Джеймс Хатчисон, исследователь и соавтор исследования из Университета Вандербильта.
Команда использовала программу совместного доступа для малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей, которая позволяет исследователям более удобно запрашивать время пучка в приборе Bio-SANS в реакторе изотопов с высоким потоком (HFIR) ORNL и приборе Bio-SAXS (LiX ) в Национальном источнике синхротронного света BNL II (NSLS-II).
Нейтроны могут обнаруживать легкие элементы, такие как водород, тогда как рентгеновские лучи более чувствительны к более тяжелым элементам, что означает, что каждый метод рассеяния может раскрыть уникальную информацию об одном и том же материале.
Используя оба метода, исследователи построили более точную модель мембранной системы.
«Рассеяние нейтронов и рентгеновских лучей очень дополняют друг друга», – сказал Шуо Цянь, ученый по рассеянию нейтронов из ORNL и соавтор исследования. "Вместе эти методы позволили получить полную картину структуры двуцелл."
Дополнительные измерения бицелл также были выполнены с использованием трансмиссионной криоэлектронной микроскопии в Университете Вандербильта.
Открытие новых свойств протеина
Чтобы оценить, как новую модельную мембрану можно использовать для понимания липидного состава и взаимоотношений мембранных белков, ученые представили свои бицеллы хорошо изученному фрагменту белка, обозначенному как C99.
Этот фрагмент составляет одну область мембранного белка, называемого белком-предшественником амилоида, который, по мнению экспертов, связан с болезнью Альцгеймера.
Используя различные методы характеристики, команда выявила различия в структуре и динамике белковых фрагментов при внедрении в новую модель мембраны. Примечательно, что они наблюдали, что фрагменты C99 самоассоцируются друг с другом в областях, о которых ранее не сообщалось в других модельных мембранах.
Исследователи предполагают, что эти недавно открытые сайты связывания могут играть роль в регулировании взаимодействия других белков с этим фрагментом.
Команда стремится провести дополнительные эксперименты, чтобы подтвердить, обладает ли новая система двухцелл липидной средой. Ученые уже определили свойства липидного рафта в искусственных везикулах, сферической полой биологической структуре, которая окружена липидным бислоем, но не в других мелких частицах, таких как бицеллы
«Не существует известных мелких частиц, не являющихся пузырьками, которые обладали бы свойствами липидного плотика», – сказал Хатчисон. "Было бы здорово доказать это."
Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом и Управлением биологических и экологических исследований и фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.
HFIR и NSLS-II являются объектами для пользователей Управления науки Министерства энергетики США. UT-Battelle LLC управляет ORNL для Управления науки Министерства энергетики США.
Управление науки является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите страницу Energy.правительство / наука. — Оливия Трани