Светочувствительные белки архей и эукариот оказались родственниками

Ученые из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ совместно с коллегами из Германии и США впервые получили и исследовали структуру светоактивируемого протонного насоса из грибов. Ее сравнили с известными структурами белков с такой же функцией. Оказалось, что белок имеет общего предка с протонным насосом микробов без мембран внутри. Однако он отличается от белков бактерий, в клетках которых есть мембраны, но нет ядра. Полученные результаты важны для дальнейших исследований белков в клетках людей. Работа опубликована в журнале Communications Biology.

Живые организмы делятся на три основных группы (домена) по наличию ограниченных мембранами областей в составе клеток. Археи (первый домен) не содержат никаких мембранных частей в клетках. Более сложно устроены бактерии (второй домен) — в их клетках присутствуют органеллы, окруженные мембранами. Эукариоты (третий домен), в свою очередь, содержат и мембранные органеллы, и ядро в составе клеток. К последней группе относятся царства животных (в которое входят и люди), грибов, растений и некоторые одноклеточные организмы. Эволюционные отношения между представителями разных групп живых существ изучаются при помощи исследования и сравнения геномов и белков.

Ранее сравнение геномов многих животных показало, что светочувствительные белки в клетках выполняют чрезвычайно разные функции и присутствуют во всех царствах, а также во многих крупных вирусах. Наиболее распространенное семейство светочувствительных белков — родопсины. Родопсины первого типа состоят из семи пронизывающих мембрану клетки спиралей (Рисунок 1). Белки используют энергию света для активного и пассивного транспорта ионов через мембрану клетки, запуска сигнальных реакций и активации ферментов в клетках. Светочувствительные белки применяются в оптогенетике — методике исследования нервных импульсов, которые можно возбуждать при помощи света. Они считаются распространенными светособирающими белками на Земле и основными «световозахватителями» в океанах. Учитывая повсеместное распространение родопсинов и их важную экологическую роль, нет сомнений в том, что эти белки сыграли значительную роль в эволюции жизни на Земле. На ранних этапах эволюции многие организмы могли использовать родопсины в качестве одного из дополнительных источников энергии, что давало им эволюционное преимущество. Широкое разнообразие протонных помп, а также их древность позволяют исследовать глобальные эволюционные процессы по истории изменений этих белков. Однако родопсины эукариот исследованы менее обширно, так как их выделение и кристаллизация значительно сложнее.

Авторы исследования использовали недавно разработанные ими же методы экспрессии (в системе LEXSY) для выделения родопсина 1 типа из одноклеточного гриба. Ученые кристаллизовали и получили структуру белка. Оказалось, что структура родопсина из гриба крайне похожа на структуру протонного насоса археи. Единственное значительное отличие было найдено во внутриклеточной части белка: петля ECL1 гораздо длиннее подобной у родопсина архей (см. рисунок 1). Авторы изучили функции этой петли и обнаружили, что она связывается с внутриклеточным концом, тем самым повышая стабильность белка. Для определения эволюционных отношений между родопсинами ученые сравнили известные структуры и последовательности белков. Оказалось, что последовательности и структуры родопсинов эукариот крайне схожи с таковыми у белков архей. Видимо, гены родопсинов подвергаются обширному горизонтальному переносу между организмами, что усложняет поиск общего предка. Однако высокое структурное сходство протонных помп архей и эукариот, наряду с функциональным сходством, представляет собой убедительное доказательство архейного происхождения эукариотических протонных родопсинов и, скорее всего, всех других эукариотических родопсинов.

«Мы получили первую кристаллическую структуру высокого разрешения светочувствительного протонного насоса из организма гриба и выяснили функциональную роль его N-концевой области. Исследованный родопсин был экспрессирован в системе LEXSY, затем мы его кристаллизовали. Значит, система экспрессии LEXSY может быть сильным инструментом для получения мембранных белков эукариот для структурных исследований. Мы также сравнили последовательность и структуру полученного родопсина со светочувствительными протонными помпами из разных царств. Анализ показал, что эукариотические и архейные родопсины имеют глубокое структурное сходство, что подтверждает гипотезу об архейном происхождении родопсинов, найденных в геноме эукариот. Полученные результаты важны как для понимания эволюции животных, так и для дальнейших исследований родопсинов эукариот», — поясняет Дмитрий Забельский, сотрудник лаборатории химии и физики липидов Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ.