Тихоходки — крошечные животные с восемью лапами — стали широко известны благодаря живучести. Они переносят высокие уровни радиации, глубокую заморозку, давление и многие другие экстремальные условия. Это обеспечивают уникальные белки тихоходок — TDP (по-английски tardigrade-unique disordered proteins). В том числе Dsup, который связывает ДНК и РНК и защищает их от активных форм кислорода и других опасных факторов. В новой статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, российские ученые описали изменчивую форму белка Dsup, которая определяет его защитные функции.
Некоторые живые существа демонстрируют потрясающую устойчивость, выживая в самой экстремальной среде. Среди чемпионов по стойкости — тихоходки, способные некоторое время прожить даже в открытом космосе. Для этого животные приобрели уникальные адаптации на молекулярном уровне, в том числе защищающие их генетический материал от ионизирующего излучения (радиации), свободных радикалов и других опасных воздействий.
Особую роль в этом играют уникальные белки, в том числе белок-супрессор повреждений (damage suppressor protein, Dsup), который связывает молекулы РНК и ДНК. В новой работе ученые из МФТИ, ОИЯИ (Дубна) и ИБП РАН (Пущино) использовали биофизические методы, чтобы охарактеризовать структуру Dsup одного из видов тихоходок (Ramazzottius varieornatus). Это малоугловой рентгеноструктурный анализ (РСА), круговой дихроизм (КД) и молекулярное моделирование.
«Исследованный нами белок Dsup относится к широкому классу внутренне неупорядоченных белков. Обычно таким белкам невозможно приписать конкретную пространственную структуру. Вместо этого говорят об ансамбле конформаций, которые они могут принимать, из-за чего изучение таких молекул является особенно непростой задачей для структурной биологии. В случае Dsup высокая конформационная подвижность вызвана присутствием большой доли положительно заряженных аминокислотных остатков. Это напрямую связано со способностью связываться с ДНК, которая является отрицательно заряженной, что позволяет белку выполнять свою защитную функцию», — рассказал один из авторов исследования Юрий Рижиков, и.о. заведующего лаборатории Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ и сотрудник Объединенного института ядерных исследований в Дубне.
Авторы статьи отметили, что белок длиной в 445 аминокислотных остатков содержит много серина, аланина, глицина, лизина и треонина (в сумме почти 70 %). Все это, наряду с особым профилем гидрофобности — способности растворяться в неполярных жидкостях, отличает неупорядоченные белки. Небольшие фиксированные участки Dsup находятся на одном из его концов (N-конец) и в центре молекулы, тогда как в связывании нуклеиновых кислот участвует нестабильная область на C-конце.
Далее ученые выяснили примерную структуру Dsup в двух растворителях: в лишенной ионов воде и натрий-фосфатном буфере (PBS), который по составу близок внутренней среде клетки. Во втором случае белок стал компактнее, что наряду с другими свойствами доказало его неупорядоченную природу.
С помощью кругового дихроизма — метода, основанного на различном поглощении право- и левополяризованного света — была описана вторичная структура белка. Это небольшие устойчивые блоки, которые образуют соседние участки аминокислотной последовательности. Из них Dsup содержит 5 % альфа спиралей и, возможно содержит бета-слои, а остальная часть лишена вторичной структуры.
При добавлении денатурирующего вещества — мочевины — помимо нарушения трехмерной формы, белок также резко увеличил объем. Добавление другого соединения (трифлуороэтанол), напротив, вызвало образование в Dsup новых альфа-спиралей. Интересно, что ряд других белков тихоходок (LEA, SAHS, CAHS, EtAHS) тоже переходят из неупорядоченного состояние в богатое альфа-спиралями. Это происходит во время перехода тихоходок в состояние ангидробиоза (потеря организмом влаги и полная остановка жизненных процессов).
«Изучение неупорядоченных белков тихоходок (к которым относится Dsup) не только открывает новые фундаментальные механизмы защиты от физико-химических стрессов. Такие белки могут иметь широкий спектр практического применения — от создания устойчивых к радиации организмов, восстановления загрязненных экосистем и освоения космоса до разработки новых методов лечения онкологических заболеваний, а также создания новых гибридных материалов. Следующим этапом совместных исследований ОИЯИ и МФТИ станет описание структуры комплекса белка тихоходок Dsup с ДНК. Оно позволит детально понять его механизм радиопротекции на молекулярном уровне», — подвела итог Елена Кравченко, первый автор статьи и начальник сектора молекулярной генетики клетки лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.
