Иллюстрация: Дарья Сокол
Биофизики из МФТИ вместе с коллегами из Нидерландов показали механизм работы глутаматного транспортера из архей. Оказалось, что транспортный механизм напоминает лифт: «дверца» открывается, ионы и молекулы субстрата заходят, «дверца» закрывается, и они перемещаются через мембрану. Понимание этого механизма крайне важно для создания лекарств против шизофрении и других психических заболеваний. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Нервные импульсы у человека передаются в виде электрических зарядов (ионных токов) и химических сигналов. Клетки нервной системы — нейроны обладают способностью к генерации и проведению электрических сигналов. Нейрон имеет тело и два вида отростков: короткие — дендриты и длинный — аксон. Дендритов обычно множество, а аксон — один. Дендриты и тело нейрона выступают в виде антенны, принимающей сигналы от других нейронов. Суммируя и обрабатывая все входные сигналы, нейрон генерирует свои импульсы, которые по аксону передаются дальше другому нейрону. Электрический импульс, движущийся по аксону, похож на электрический ток, текущий по проводам. Два главных отличия нервного импульса в том, что несут заряды не электроны, а ионы натрия и калия. И движутся ионы не вдоль аксона, а поперек — через мембрану нейрона. Положительно заряженные ионы натрия выходят наружу из клетки через специальные белки-поры — ионные каналы. При этом волна положительного электрического заряда перемещается вперед вдоль аксона. Такая передача сигнала возможна только на протяжении одного нейрона. Между нейронами электрический импульс распространяться не может. Для передачи сигналов между нейронами существуют особые структуры — синапсы.
Обычно в синапсе сигнал передается химически, с помощью веществ — нейромедиаторов. Передающий сигнал нейрон выделяет в синаптическую щель молекулы нейромедиатора. На мембране принимающего нейрона есть рецепторы, распознающие это вещество и запускающие передачу нервного импульса в этом нейроне. Еще одной незаметной, но жизненно необходимой деталью этого механизма является удаление нейромедиатора из синаптической щели после того, как он «сработал». Иначе будет невозможной передача следующего импульса. Более того, может возникнуть крайне нежелательная перестимуляция принимающего нейрона. Эту «черную работу» выполняют белки-транспортеры, закачивающие молекулы нейромедиатора из синаптической щели обратно в клетку. Эти транспортеры располагаются на самом нейроне в области синапса или на близлежащих клетках-нейроглиях — вспомогательных клетках, обеспечивающих условия для функционирования нейронов (рисунок №1).
Схема транспорта нейромедиатора в синапсе
Аминокислота глутамат является главным возбуждающим нейромедиатором в мозге человека. Это означает, что выделение в синаптическую щель глутамата будет способствовать генерации нервного импульса следующим нейроном в цепи. В нервной системе человека существуют и тормозные нейромедиаторы, например, ГАМК (гама-аминомасляная кислота), выделение которых будет препятствовать генерации нервного импульса.
Глутаматный транспортер осуществляет удаление молекул глутамата из синаптической щели. Его работа крайне важна в мозге человека. Нарушение захвата глутамата из синаптической щели при дисфункции транспортера возникает при шизофрении и других психических расстройствах, а также при нейродегенеративных заболеваниях. Как у людей сведения о близких родственниках могут многое сказать о человеке, так и у белков данные об эволюционно родственных белках, называемых гомологами, могут дать важную информацию об исследуемом белке. Ученые из МФТИ совместно с голландскими коллегами расшифровали трехмерные структуры промежуточных конформаций глутаматного траспортера из архей, гомолога глутаматного транспортера человека.
Долгое время единственным способом исследования трехмерной структуры белков был рентгеноструктурный анализ. Главные «неудобство» этого метода в необходимости получения кристаллов белков для получения с них дифракционных снимков. Многие мембранные белки никак «не хотят» образовывать кристаллы. Чтобы преодолеть эту проблему, в последние годы для исследования структур используют современный, подающий большие надежды метод криоэлектронной микроскопии. При исследовании структур белков этим методом не требуется растить кристаллы. Белок замораживают, чтобы он «не шевелился», а потом фотографируют с помощью пучка электронов со всех сторон. Далее с использованием компьютерных алгоритмов воссоздается трехмерная структура белка. Затем компьютерную модель белка применяют, например, для поиска веществ, взаимодействующих с этим белком и изменяющих его функцию. Такие вещества являются потенциальными лекарствами.
Структура глутаматного транспортера была исследована на криоэлектронном микроскопе в Гронингене (Нидерланды). Молекулы глутаматного транспортера объединяются в группы по три — образуют тримеры. Каждый мономер состоит из двух частей: неподвижной части, погруженной в мембрану, и подвижного транспортного домена, напоминающего лифт. В результате работы получены 15 индивидуальных структур мономеров глутаматного транспортера (дающих 5 структур тримеров, включая промежуточные конформации). Также получены подтверждения независимого транспорта субстратов через разные мономеры.
«С помощью полученных структур мы наконец-то можем объяснить как эти белки предотвращают нерегулируемое проникновение натрия в клетку, — объясняет Альберт Гуськов, профессор, заведующий лабораторией структурной электронной микроскопии биологических систем МФТИ. — В транспортном домене по аналогии с лифтом есть дверь, и пока она открыта, лифт никуда не поедет. И только когда ионы натрия, а затем и субстрат (в данном случае аспартат) заходят в лифт, дверь закроется и лифт поедет. То есть если зашли только ионы натрия, этого будет недостаточно для закрытия двери. Это делает транспорт очень эффективным, что особенно важно в случае человеческих белков — ведь там уже речь идет не о том, чтобы “скушать” аспартат, как в случае архей, а в переносе информации между нейронами».
Структура глутаматного транспортера из архей в разных состояниях. Каждая картинка представляет собой «моментальный снимок», в котором мономеры находятся в состояниях: открытом внутрь (голубой цвет), частично открытом наружу без субстрата (циан), частично открытом наружу с субстратом (синий) и полностью открытом наружу (темно синий). Источник: Nature Communications
На базе лаборатории структурной электронной микроскопии биологических систем МФТИ профессора Альберта Гуськова развивается современная научная инфраструктура в области криоэлектронной микроскопии, позволяющая проводить законченные циклы исследовательской работы на высоком мировом уровне. В 2019 году закончены работы по подготовке и запуску научно-исследовательской платформы на базе криоэлектронного микроскопа FEI Polara G2. Выполнен физический пуск и отладка работы. Лаборатория оснащается необходимой инфраструктурой: приобретены вычислительные мощности для анализа данных электронной микроскопии и проведения расчетов структур, ведется настройка программного окружения. Приобретена система витрификации на базе FEI Vitrobot Mark IV — необходимый инфраструктурный комплекс для проведения экспериментальных исследований по криоэлектронной микроскопии.
«Компетенции лаборатории востребованы российским научным сообществом, а развивающиеся международные научные связи позволяют получать доступ к современной научной инфраструктуре. Такая инфраструктура открывает новые возможности для изучения фундаментальных основ биофизики (механизмы работы ионных каналов белковых комплексов, получение структур ферментов и вирусов), а также позволяет выйти на индустриальных партнеров, цель которых — проведение исследований для создания лекарств и использование полученных данных в медицине», — комментирует Альберт Гуськов.
