Коли білки працюють у темряві для науки
Чи виконує білок унікальну біологічну функцію? Біохімічна спеціалізація ферментів призвела до цього протягом довгого часу, поки кристалічні білки не виявили існування численних підпільних дій ...
Як і гребінці, білі гребінці мають в середньому 40 очей і можуть мати до 200, розподілених по всій мантії. У цих молюсків та інших двостулкових молюсків кожне око функціонує як крихітний телескоп: це багатошарове увігнуте дзеркало, яке фокусує світло на сітківці ока, розташованому між кришталиком і дзеркалом. Лінза має лише низьку заломлювальну здатність і відіграє незначну роль у зорі.
У 1980-х роках кристали підняли завісу над несподіваним світом, який продовжує досліджуватись і сьогодні. Ці білки є основними складовими кришталика ока багатьох тварин, хребетних і ні. Їх вважали чудовими завдяки своїм дивовижним оптичним характеристикам: вони прозорі для світлових променів видимого спектру і надають кристалічній лінзі оптичний показник більше 1, що надає їй роль збіжної лінзи. Крім того, вони не денатурують у високих концентраціях і мають тривалий термін зберігання. На щастя, оскільки в кінці ембріогенезу кришталика клітини, що його складають, втрачають ядра, а білки майже не оновлюються.
Такі конкретні білки здавались спеціалізованими для унікальної ролі. Їх дослідження здавалося захоплюючим як з фундаментальної (як вони виникли?), Так і з прикладної (можливо, вони допоможуть зрозуміти катаракту через помутніння кришталика?). Отже, яким було здивування Джорама Піатігорського з Американського інституту здоров’я у Бетесді, коли наприкінці 1980-х він зрозумів, що кристали, які він аналізував, - це не що інше, як ферменти, добре відомі в інших місцях, виражені на нижчому рівні в багатьох тканинах де вони не могли грати оптичну роль !
Тільки у хребетних існує більше десятка сімейств кристалічних кристалів. Джорам Піатігорський показав, що перші відкриття, кристалічні кристали хребетних, були білками теплового шоку або HSP. Ці ферменти, які активуються під впливом клітинного стресу, головним чином відіграють роль шаперону: вони перешкоджають синтезуванню білків, що агрегуються через їх гідрофобні амінокислоти, до їх тривимірного згортання. Вони також виражаються, коли клітина зазнає сильних температурних коливань, що призводять до денатурації білків. Тут знову, будучи шаперонами, вони допомагають цим білкам зберегти свою тривимірну структуру, а отже, грати свою біологічну роль правильно. Ми розуміємо, що всі клітини потребують присутності цих HSP, і що ця роль шаперона апріорі не має нічого спільного з жодною оптичною роллю.
Вульгарні шаперони, не більше того
Завдяки своїй новаторській роботі над кристалічними кристалами Йорам Піатігорський щойно відкрив другу важливу роль білків теплового шоку у ссавців. Біохіміки були в першу чергу дуже розчаровані цим непередбаченим результатом: як так, що такі банальні білки, які містяться у всіх клітинах еукаріот (клітини, що складаються з ядра), також можуть відігравати оптичну роль, якщо вони специфічні? Однак з еволюційної точки зору цей результат є захоплюючим, оскільки він ілюструє одне з найтонших понять для маніпулювання - це адаптація.
Випадково прозорий
Міркування щодо кристалів будувалися подібним чином. Перше здивування полягало в роздумах про те, як міг з’явитися такий винятковий білок з такими особливими фізичними властивостями, настільки низька ймовірність цього. Другий сюрприз випливає з того, що ці властивості (прозорість, стійкість тощо) є прерогативою дуже багатьох дуже звичних білків. Оскільки, крім HSP, ці властивості проявляють і класичні ферменти проміжного метаболізму (всі хімічні реакції, що відбуваються в клітинах), такі як лактатдегідрогеназа, аргіносукцинатна ліаза або-енолаза. Як ми туди потрапили? Під час структурування фоторецепторної системи ока білки, що мають характеристики кристалічних кристалів, не були винайдені, а набрані з батареї вже існуючих білків. За збігом обставин ферменти наділялись властивостями прозорості, які тоді не мали жодної біологічної користі. Їх завербували шляхом природного відбору, не відмовляючись від родової ролі. Зазвичай це екзаптація.
Цифрами
370. На сьогоднішній день база даних MoonProt 2.0 ідентифікувала 370 білків, що висвітлюють місяць, усіх організмів разом узятих.
90%. В кришталику ока білки становлять від 20 до 60% свіжої маси клітин. З цих білків 90% - кристалічні.
12. В інших органах, крім кришталика, кристали виконують свою основну функцію як шаперони, збираючись у великі структури з 12 або навіть 24 молекул. Ці структури часто є сферами або торами з внутрішньою порожниною.
На молекулярному рівні використовуються інші терміни. Що стосується білків, американські біохіміки, такі як Констанс Джеффрі з Університету Іллінойсу в Чикаго, кажуть, що вони "висвітлюють білки", ілюструючи тим самим, що вони мають чітку торгівлю (їх роль ферменту) і що вони вдруге грають іншу, непомітну спосіб (їх роль кристалічний). У 2014 році команда Констанс Джеффрі запустила базу даних MoonProt 2.0, де перелічені місячні білки та їх вторинні функції. І щоб назвати гени, пов’язані з цими білками, Джорам Піатігорський ввів термін спільне використання генів, враховуючи, що той самий ген кодує білок, який може виконувати дві різні функції, ніби ці функції мають однакові незручності.
Але чи немає прихованих взаємозв’язків між першою ферментативною функцією та другою кристалічною функцією? Вивчення зорових систем молюсків дозволяє висунути гіпотезу. Дійсно, основними кристалами лінз очей кальмарів та морських гребінків є глутатіон-S-трансферази, тобто білки, головною роллю яких є детоксикація клітини шляхом позбавлення її від ксенобіотичних речовин. до нього. Таким чином, у хребетних, як і у молюсків, вибрані білки виконують родову функцію сприяння цілісності клітин. Хіба не вигідно мати захисні молекули у високій концентрації ?
Медична головоломка
Багато білків працюють у темряві, як показує база даних MoonProt 2.0, запущена в 2014 році для їх переліку. Тому складність клітини перевищує очікувану, оскільки вторинні функції білків вводять абсолютно несподівані молекулярні взаємодії. Таким чином, такий фермент, як GAPDH, бере участь у внутрішньоклітинному процесі гліколізу, але також на поверхні клітин як рецептор білка, який транспортує залізо, трансферин. Такі чіткі та важливі ролі вимагають складних регламентів: як регулювати кількість позаклітинних молекул GAPDH, не впливаючи на кількість внутрішньоклітинних молекул? Однак багато місячних білків пов'язані із захворюваннями. Іноді мутація впливає на одну функцію, але не на іншу, наприклад. Ми також знаємо випадки, коли мутація викликає нову непередбачену функцію.
Таким чином, численні білки, що висвітлюють місяці, беруть участь в аутоімунних захворюваннях, захворюваннях серця, ожирінні, цукровому діабеті, раку тощо. Очевидно, що вибір такого білка в якості терапевтичної мішені може мати згубні наслідки, якщо друга функція невідома. Таким чином, база даних MoonProt 2.0, спочатку з основною метою, зараз розроблена для медичних застосувань.