Тромбозы и их последствия, инфаркты и инсульты являются одной их основных причин смертей в современном мире. Для борьбы с ними биофизики из МФТИ предлагают использовать фермент медицинской пиявки ─ дестабилазу. С помощью метода рентгеноструктурного анализа ученые получили данные о трехмерной структуре этого белка, а изучив аналоги у близких и далеких родственников пиявки по эволюционному древу, смогли объяснить механизм его работы. Полученные данные, опубликованные в журнале Scientific Reports, будут полезны при разработке антикоагулянтных препаратов.
Гирудотерапия, или терапия медицинскими пиявками, ─ старинная методика, которая продолжает применяться и сегодня. Hirudo medicinalis используют при воспалительных и сердечно-сосудистых заболеваниях, тромбозах, а также после различных хирургических операций. В их слюне находится множество биологически активных веществ, обеспечивающих разжижение крови, в том числе и дестабилаза ─ фермент, вызывающий разрушение уже образовавшихся кровяных сгустков. Самой пиявке эти вещества нужны, чтобы кровь не свернулась у нее в желудке или в процессе питья, а с точки зрения ученых фермент представляет собой природную заготовку, которую можно доработать и использовать как лекарство для профилактики образования тромбов или растворения уже имеющихся.
«Тромбы образуются, когда белки крови связываются между собой изопептидными связями, — поясняет Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ. — Известно, что белки представляют собой цепочку аминокислот, связанных пептидной связью. Но некоторые боковые группы этой цепи могут также образовывать связи, аналогичные пептидной. Они называются изопептидными. Так вот, дестабилаза расщепляет эти сшивки боковых цепей и, таким образом, растворяет сформировавшийся тромб».
Для того чтобы понять, как именно работает белок, ученым мало знать, из каких аминокислот он состоит, ─ нужна еще и пространственная структура. При этом если молекула, с которой взаимодействует белок, мала по сравнению с ним, то за функциональность белка отвечают мелкие детали небольшого участка его поверхности (активный центр), а остальное его тело обеспечивает стабильность центра. Ученые закристаллизовали белок, зафиксировав положение каждого атома в нем. Затем кристалл просветили рентгеновскими лучами и получили дифракционную картину, или рентгенограмму. По ней исследователи, пользуясь разнообразными методами (подробнее о них можно прочитать здесь), смогли восстановить структуру белка (см. рисунок).
Схематическое изображение пространственной структуры дестабилазы. Правая и левая картинки являются параллельными стереопарами — они практически одинаковы, но изображены с небольшим смещением относительно друг друга. Если расфокусировать взгляд и смотреть как бы «сквозь» картинку, в глубине кадра возникает объемное изображение.
Со способами, помогающими научиться рассматривать стереопары, можно ознакомиться здесь
Но исследователи не ограничились только рентгеноструктурным методом, они провели также филогенетический анализ около 1000 аминокислотных последовательностей в аналогах дестабилазы у других беспозвоночных .
«Для нас интереснее всего посмотреть, как эти гомологичные, то есть имеющие схожее строение и функцию белки развивались с ходом эволюции, как при каких-то изменениях структуры изопептидазная активность сохраняется, а при других — исчезает, — продолжает рассказ Валентин Борщевский. ─ Мы можем посмотреть, какие аминокислоты критически важны для сохранения функции, и сделать выводы, что они участвуют в формировании активного центра».
«Мы наложили последовательности аминокислот в этих белках друг на друга, определенным образом выровняли и сравнили, насколько они совпадают, — уточняет Даниил Корнилов, младший научный сотрудник лаборатории старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ. — Так мы определили степень эволюционной близости этих конкретных белков. Затем мы выявили из них те, которые, как и дестабилаза, умеют расщеплять изопептидные связи. Оказалось, что белки, имеющие предположительно тот же механизм расщепления изопептидных связей, образуют с дестабилазой единый кластер на эволюционном древе. Среди белков данного кластера нашлись два с подтвержденной изопептидазной активностью, структура которых была известна. И далее мы сравнивали структуру нашей дестабилазы со структурами этих двух белков, чтобы понять, как именно они (а значит, и все другие белки данного кластера) разрушают изопептидные связи».
Полученные результаты закладывают основу для дальнейших исследований взаимосвязи строения дестабилазы и ее тромболитической активности, а также могут служить отправной точкой для дизайна белковых структур, на основе которых будут разработаны новые лекарства.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
