Российские ученые получили светящийся белок, образующий кристаллы в живых клетках

Флуоресцентные белки, впервые обнаруженные в середине прошлого столетия в медузе Aequorea victoria, — это мощный молекулярно-биологический инструмент для прижизненного наблюдения за различными внутриклеточными процессами. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН обнаружили, что мутация всего одной аминокислоты флуоресцентного белка moxSAASoti приводит к его кристаллизации непосредственно в живых клетках. Статья с описанием этого необычного явления опубликована на страницах научного журнала Biochemical and Biophysical Research Communications. Исследование было проведено в рамках проекта ФНТП развития синхротронных и нейронных исследований, реализуемого под эгидой национального проекта «Наука и университеты».

Флуоресценцией называется свечение, при котором вещество или материал поглощает излучение одной длины волны, а испускает его уже в другом диапазоне. Это широко распространенное в мире явление: свечение денежных знаков и «кислотных» пигментов в одежде под действием ультрафиолета, флуоресценция цветов для привлечения опылителей и многое другое. В частности, многие морские организмы, такие как кораллы, медузы, планктон светятся благодаря этому явлению, обеспечиваемому флуоресцентными белками. За открытие и разработку методов использования флуоресцентных белков в 2008 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН во время экспедиции на Большой барьерный риф в Австралии нашли новый флуоресцентный белок SAASoti, на основе которого ими была получена его улучшенная версия под названием moxSAASoti.

«Флуоресцентные метки должны соответствовать определенным критериям, чтобы работа с ними давала нужный результат. В частности, белок должен быть мономерным — то есть, состоять из одной "единицы" и не взаимодействовать с другими белками внутри клетки, не влияя на исследуемые внутриклеточные процессы. В противном случае визуализация может дать некорректные данные», — поясняет Надежда Марынич, сотрудник лаборатории физической биохимии ФИЦ Биотехнологии РАН.

Чтобы удовлетворить таким критериям ученые используют методы генетической инженерии, заменяя в белке различные аминокислоты (элементарные «звенья» в белковой цепи) для модификации его свойств. Работая с белком moxSAASoti, который может менять яркость и цвет свечения под действием света различных длин волн, российские биохимики при помощи точечных аминокислотных замен смогли улучшить его свойство изменять цвет под действием облучения. Однако, вдобавок к целевым свойствам, замена аминокислоты фенилаланин в позиции 97 на метионин (moxSAASotiF97M) наделила белок неожиданной способностью кристаллизоваться прямо в живых клетках линии HeLa.

Процесс кристаллизации в клетках известен в природе и используется организмами, например, для запасания белков и разделения областей в клетке. С другой стороны, если в норме какой-то белок в клетке должен быть растворимым, его кристаллизация может стать причиной заболеваний — так возникают, например, некоторые формы катаракты и анемии. Для флуоресцентных меток свойство кристаллизации в живых клетках весьма нежелательно, т.к это очевидно влияет на внутриклеточное окружение и препятствует применению таких белков в научных исследованиях.

«Для исследования механизма кристаллизации moxSAASotiF97M в клетке мы совместно с сотрудниками Института органической химии имени Н.Д. Зелинского получили его пространственную структуру с высоким разрешением и сравнили ее со структурой без мутации, полученной нами ранее. Прежде всего мы обратили внимание, что введение замены изменило упаковку молекул в кристалле. Боковая группа замененной аминокислоты (метионина в положении 97) ориентирована вовнутрь белковой глобулы и на первый взгляд не должна влиять на кристаллические контакты с соседними молекулами. Однако в новой структуре ряд других аминокислот не только вблизи, но и вдали от M97 оказались ориентированы иначе по сравнению со структурой до введения мутации. Такое изменение конформации отдельных аминокислот может быть причиной, способствующей кристаллизации белка в клетке» — говорит Константин Бойко, сотрудник лаборатории инженерной энзимологии ФИЦ Биотехнологии РАН.

«До начала этой работы было известно только о двух флуоресцентных белках, способных образовывать кристаллы в клетках. У первого, Xpa, ученые специально смоделировали это свойство. Во втором случае кристаллы флуоресцентного белка обнаружили в ткани коралла – нативного организма, из которого этот белок был выделен. Вероятно, в этом случае кристаллизация должна выполнять какую-то нужную для организма роль. Современные методы компьютерного моделирования позволяют четко описать опосредованное влияние аминокислотных замен во флуоресцентных белках на динамику всей их структуры, что было показано в совместной работе с группой молекулярного моделирования ФИЦ Биотехнологии РАН. Результаты нашей работы дополняют эти данные и показывают, что при введении точечных мутаций даже вдали от белковой поверхности нужно проявлять осторожность, так как вместе с ожидаемыми изменениями свойств белка это может привести и к негативным последствиям для его практического применения», — комментирует Александр Савицкий, руководитель лаборатории физической биохимии ФИЦ Биотехнологии РАН.