Современная биология рассматривает функционирование белков как основу жизнедеятельности и эволюции живого. Изучение механизмов функционирования белковых молекул лежит в основе глубокого понимания физиологических процессов, происходящих в клетке. С момента расшифровки Лайнусом Полингом структуры альфа-спирали и последующей расшифровки трехмерных структур простых глобулярных белков в биологии прочно укрепилась парадигма «структура определяет функцию», а также начала развиваться самостоятельная дисциплина — структурная биология. Усилия структурных биологов привели к расшифровке огромного количества (более 180 тысяч) трехмерных структур белков. Однако для еще большего количества белков трехмерные структуры неизвестны, и среди них есть группа белков, которые не имеют жесткой трехмерной структуры при функционировании. Такие молекулы называют внутренне-неупорядоченными белками. Международная группа ученых под руководством Владимира Уверского, научного сотрудника лаборатории старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ и профессора Университета Южной Флориды (США), подготовила обзор, в котором авторы предложили рассматривать внутренне-неупорядоченные белки как сложные динамические системы. Работа опубликована в высокорейтинговом журнале Chemical Reviews.
Белковая вселенная
Совокупность всех белков живых организмов может быть представлена как некая «белковая вселенная». Причем эксперименты по моделированию эволюции белковой вселенной показывают, что, подобно физической Вселенной, белковая также расширяется. Это происходит за счет возникновения новых белков, в результате дупликации генов и их независимой последующей эволюции. Та часть белков, для которых неизвестны трехмерные структуры, представляет собой «темную материю» этой белковой вселенной. Так же, как и темная материя в физической Вселенной, эта часть белковой вселенной не может быть исследована классическими методами структурной биологии. Однако ее представители играют огромную роль в функционировании живого и зачастую вовлечены в патогенез различных заболеваний.
Внутренне-неупорядоченные белки
Внутренне-неупорядоченные белки не имеют жесткой структуры в физиологических условиях, они не могут быть рассмотрены в рамках классической парадигмы «структура определяет функцию» и требуют особых подходов к их изучению. Вместо того, чтобы иметь одну функциональную структуру, внутренне-неупорядоченные белки существуют как сложные конформационные ансамбли, содержащие разные структуры, различающиеся по взаимодействиям с другими белками (или другими природными партнерами) и выполняемым функциям. Это свойство позволяет таким белкам служить своеобразными «переключателями» метаболизма и других физиологических процессов клетки. Внутренне-неупорядоченные белки вовлечены в регуляцию процессов экспрессии генов, передачи сигналов, клеточного деления и т. д. Нарушения функционирования этих белков могут быть основными причинами развития диабета, онкологических и нейродегенеративных заболеваний.
Стохастические системы: роль случайности в биологии
Так же, как в физике долгое время главенствовала классическая механика, описывающая поведение тел по строго определенным (детерминистским) законам, в биологии главенствует детерминистская парадигма. Однако при изучении биологических процессов на молекулярном уровне оказывается невозможным не принимать во внимание стохастические (происходящие в результате случайных причин) процессы. Для внутренне-неупорядоченных белков недавно было открыто явление конформационного шума, при котором молекула принимает разные функциональные конформации случайным образом. Причем этот конформационный шум может быть представлен в виде серии вложенных наподобие матрешки молекулярных движений, такое явление биофизики называют иерархией времен (подробности на рисунке 1). Конформационную подвижность можно рассмотреть как совокупность движений на разных уровнях: от колебаний отдельных связей между атомами до движения крупных частей молекулы:
- колебания связей происходят очень быстро (фемтосекунды: 10−15 сек);
- движения функциональных групп — медленнее (наносекунды: 10−9 сек);
- перемещения отдельных частей молекулы — еще медленнее (микро- (10−6 сек) и миллисекунды (10−3 сек)).
Кажется, что молекулярный шум не должен отражаться на макроскопическом функционировании клетки. Однако было показано, что радикальные изменения фенотипа, которые происходят при дифференцировке клеток, эпителиально-мезенхимальном переходе или злокачественной трансформации, также на уровне одной клетки имеют стохастический характер. В последнее время все больше данных свидетельствует о роли конформационных переходов внутренне-неупорядоченных белков в запуске таких процессов (рисунок 2).
Рисунок 1. А) иерархия времен в конформационной динамике белковой молекулы: быстрые движения представлены колебаниями связей между атомами, средние — боковых групп, медленные — движением отдельных доменов молекулы. Эти движения оказываются «вложенными» друг в друга наподобие матрешек, Б ) — Г) конформационные энергетические минимумы различных белковых молекул: Б) денатурированный — «развернутый», нефункциональный белок, В) внутренне-неупорядоченный белок, Г) свернутый функциональный белок. Источник: Chemical Reviews
Рисунок 2. Влияние внутренне-неупорядоченного белка (IDP) на «принятие решений» стволовой клеткой в процессе дифференцировки. Различные конформации IDP показаны красным, зеленым и синим. В процессе дифференцировки преобладающая конформация IDP приводит к развитию соответствующего фенотипа. В результате из одной стволовой клетки возникает гетерогенная (содержащая различные клетки) популяция клеток. Источник: Chemical Reviews
Динамические системы: грань между порядком и хаосом
Владимир Уверский поясняет: «В теории динамических систем аттрактором называют состояние, к которому стремится система из различных начальных состояний. Стабильное фенотипическое состояние клетки может быть рассмотрено как аттрактор».
В математическом моделировании сложных систем известен так называемый «странный аттрактор». Впервые он был предложен Эдвардом Лоренцем для описания погодных явлений (конвекции в атмосфере). «Странность» этого аттрактора состоит в том, что небольшие изменения исходных значений приводят к радикальным отличиям в результате (феномен, известный как «эффект бабочки»). Конформационная динамика внутренне-неупорядоченных белков удивительным образом напоминает динамику аттрактора Лоренца (рисунок 3). Исследователи пока размышляют о возможностях моделирования поведения таких белков с использованием странного аттрактора.
«Поведение внутренне-неупорядоченных белков может быть также “разложено на множители” детерминистской и стохастической компоненты. Такой подход оказывается весьма полезным для моделирования динамики данных белков и предсказания возможных воздействий на них, что важно для разработки лекарств», — говорит Владимир Уверский.
Рисунок 3. Сравнение динамического поведения внутренне-неупорядоченных белков и аттрактора Лоренца А) конформационная динамика внутренне-неупорядоченного белка, Б) динамика аттрактора Лоренца В) фазовая диаграмма для аттрактора Лоренца, описывающая хаотичное поведение системы. Источник: Chemical Reviews
Роль внутренне-неупорядоченных белков на заре эволюции живого
Внутренне-неупорядоченные белки обладают уникальным свойством формировать так называемые немембранные органеллы — обогащенные белком «сгустки», в которых молекулы расположены гораздо более тесно, чем в окружающем растворе. Такие структуры очень похожи на коацерваты, предложенные в 1922 году для описания ранних этапов биологической эволюции советским ученым Александром Опариным. На заре эволюции живого такие немембранные органеллы могли служить своеобразными микрореакторами для ускорения химических реакций до появления клеток и органелл в привычном виде. Важно также отметить, что немембранные органеллы широко представлены во всех современных организмах, где они имеют множество важных функций от клеточного ответа на стресс до регуляции сложных биологических процессов. Также предполагают важность стохастического поведения внутренне-неупорядоченных белков в развитии многоклеточности.
Внутренне-неупорядоченные белки и наследование приобретенных признаков
Несмотря на важность разоблачения ламарковской теории наследования приобретенных признаков открытием хромосомной теории наследственности, появляется все больше данных о наличии нехромосомной наследственности, в частности, связанной с белковыми молекулами. Хорошо известны прионы — инфекционные носители белковой природы, своеобразные «конформационные диссиденты», которые при попадании в клетку вызывают переход в прионовое состояние физиологически активного белка и образование амилоидов — длинных нитей неправильно свернутых белков. В последнее время исследователи обнаружили, что некоторые внутренне-неупорядоченные белки обладают прионоподобным поведением. Несмотря на то, что большинство из них не образуют амилоидов, некоторые обладают способностью передавать свое «конформационное состояние» на протяжении многих поколений дочерних клеток.
Внутренне-неупорядоченные белки, важные компоненты «темной материи» белкового мира, представляют собой сложные динамические системы, требующие развития новых для классической биологии методов и подходов в изучении. Тем не менее именно эти макромолекулы, не поддающиеся изучению классическими методами структурной биологии, часто играют ключевую роль в «принятии решений» на клеточном уровне.
«Понимание функционирования внутренне-неупорядоченных белков и их физиологического значения с использованием новых экспериментальных и вычислительных моделей позволит достичь принципиально нового уровня понимания функционирования и эволюции живого, а также сделать существенный шаг вперед в направлении лечения многих заболеваний», — заключает Владимир Уверский .
