Ферредоксины, небольшие белки, играют ключевую роль в основных метаболических путях — сериях химических реакций, происходящих внутри клетки. Объединенная команда ученых из Сколтеха, МФТИ, Института биоорганической химии Беларуси и Института биомедицинской химии РАН изучила структуры ферредоксинов из туберкулезной палочки и их комплексов с белками-партнерами. Исследование поможет найти мишени для новых противотуберкулезных препаратов. Работа опубликована в журнале Frontiers in Molecular Biosciences
Ферредоксины — белки, содержащие в своем составе железо-серный кластер. Данная группа ферментов относится к одним из самых древних белков на Земле. Ферредоксины осуществляют восстановление CO2, участвуют в дыхании и других процессах, связанных с транспортом электронов в клетках. В зависимости от аминокислотного состава и строения железо-серного кластера насчитывается множество ферредоксинов, встречающихся в разных организмах, в том числе и у человека, и выполняющих всевозможные функции в клетках. Несмотря на то, что гены многих ферредоксинов обнаружены в геномах и уже охарактеризованы учеными, их непосредственные белковые партнеры (молекулы, с которыми они взаимодействуют) и сами механизмы взаимодействия остаются малоизученными, а для множества ферредоксинов — и совсем неизвестными.
Группа ученых из Сколтеха, МФТИ, ИБОХ НАН и ИБМХ РАН исследовала ферредоксины палочки Mycobacterium tuberculosis — возбудителя туберкулеза. В геноме микобактерий закодировано пять ферредоксинов. Ученых заинтересовало то, что два 3Fe-4S-ферредоксина расположены рядом с генами цитохромов Р450 — белков, участвующих в важнейших реакциях в клетке, а также являющихся потенциальными мишенями для создания новых противотуберкулезных препаратов. Такая близость говорит о вероятной функциональной связи между ферредоксинами и цитохромами. Данный тезис подтверждается тем фактом, что цитохромам для работы действительно необходимы электроны, которые должны доставлять белки-партнеры, ферредоксины.
Андрей Гилеп, научный сотрудник Института биоорганической химии НАН Беларуси, рассказал: «Мы изучили свойства двух туберкулезных ферредоксинов — Fdx и FdxE, а также то, как происходит связывание FdxE с цитохромом CYP143».
В ходе исследования методом кристаллографии были получены структуры ферредоксина Fdx, цитохрома CYP143 и их комплекса FdxE-CYP143. Проанализировав структуры ферредоксинов, ученые определили их элементы, участвующие в связывании с белками-партнерами, а также участки, необходимые для осуществления транспорта электрона. В геноме микобактерии гены ферредоксина FdxE и цитохрома CYP143 находятся в непосредственной близости (в одном опероне), что позволило предположить, что они функционируют вместе. Чтобы подтвердить это, исследователи провели анализ их специфического взаимодействия методом поверхностного плазмонного резонанса. Полученные результаты показали высокое сродство этих белков, что подтвердило гипотезу.
Дальнейшее изучение термодинамических параметров показало, что основным механизмом связывания являются электростатические взаимодействия и образование водородных связей между партнерами.
Наталья Струшкевич, старший преподаватель Центра молекулярной и клеточной биологии Сколтеха, пояснила: «Понимая, что мы имеем дело с микобактериальным тандемом ферредоксин — цитохром, мы решили получить кристаллическую структуру их комплекса. Структура высокого разрешения показала, каким образом белки взаимодействуют друг с другом. Мы подтвердили результаты термодинамики образования комплекса белков — обнаружили многочисленные водородные связи и электростатические контакты. Чтобы оценить, насколько связывание с ферредоксином влияет на структуру цитохрома, мы также получили его структуру и определили участки белка, изменяющиеся при взаимодействии».
Для исследования атомной структуры белки кристаллизуют. Так как кристаллизация — процесс, довольно сильно влияющий на молекулу, необходимо было подтвердить полученные на кристаллах выводы в более близких к функционированию белков условиях. Ученые провели опыты по анализу связывания FdxE и CYP143 в растворе, где состояние белков ближе к нативному. Они использовали метод малоуглового рассеяния рентгеновского излучения, который позволил зафиксировать взаимодействие молекул друг с другом. Таким образом было показано, как взаимодействуют ферредоксины и цитохромы Р450, на примере FdxE и CYP143.
Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, добавил: «Наши данные проливают свет на структурные аспекты, определяющие межбелковые взаимодействия внутри этих комплексов во время переноса электронов. Но подробно эти системы еще предстоит охарактеризовать».
