12:09, 24 января 2022
4 мин.

Биологи установили природу многофункциональности белка ВИЧ

3D-модель Tat белка ВИЧ. Основной домен выделен синим

3D-модель Tat белка ВИЧ. Основной домен выделен синим

RCSB Protein Data Bank (ID 1JFW)

Международная группа исследователей выяснила, каким образом Tat белок вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) выполняет сразу три разных функции, и установили возможные эволюционные механизмы возникновения этой многофункциональности. Подобные исследования помогают понять механизмы развития вирусных инфекций и побочных болезней, некоторые из которых связаны с эффектами отдельных вирусных белков. Работа проходила при поддержке Российского научного фонда, её результаты опубликованы в Journal of Virology.

Жизнедеятельность вирусов невозможна вне клеток живых организмов, что накладывает ограничения на размер их частиц, геномов и, соответственно, белков. Это приводит к тому, что отдельные участки белков – домены – выполняют сразу несколько разнообразных функций. «Такой эргономичный и минималистичный дизайн, когда один домен совмещает сразу несколько функций, на самом деле, намного сложнее реализовать, чем сделать несколько доменов с разными функциями. Кроме того, возникает вопрос о том, как такие многофункциональные домены могли возникнуть в ходе эволюции, – отмечает автор-корреспондент исследования, заведующий лабораторией ультраструктуры клеточного ядра НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ, профессор биологического факультета МГУ Евгений Шеваль. – Эту проблему мы решили изучить на примере основного домена Tat белка вируса иммунодефицита человека».

Основной домен Tat белка длиной в 9 аминокислот участвует в реализации трех разных функций. Первая, наиболее важная для вируса, заключается в регуляции синтеза вирусных РНК. Когда в ядре клетки производится вирусная РНК, то без участия Tat белка, получаются только короткие фрагменты, недостаточные для производства белков и сборки полноценных вирусов. Если же Tat белок присоединится к началу синтезирующейся РНК, её синтез происходит правильным образом. Вторая функция этого белка – сигнал ядерной локализации и третья, похожая, – сигнал ядрышковой локализации. Если смысл второй функции понятен – именно в ядре Tat белок исполняет свою главную задачу, – то смысл третьей на настоящее время не выяснен. Однако как этот белок концентрируется в ядре и в ядрышке изучено слабо.

Были сведения относительно сигнала ядерной локализации: Tat белок способен связываться своим основным доменом со специальными клеточными белками, импортинами, которые постоянно мигрируют из ядра в цитоплазму и обратно, перенося на себе другие молекулы. Основное место работы Tat белка – ядро, и эта функция для вируса крайне полезна, так как повышает эффективность сборки вирусных частиц.

Но длина основного домена Tat белка вдвое больше таковой у других известных сигналов ядерной локализации: 9 аминокислот против обычных 4. С импортинами у основного домена связывается действительно лишь 4 аминокислоты, и австралийские учёные в 2017 году определили ту самую последовательность, которая участвует в этом взаимодействии. Однако учёные МГУ попробовали последовательно заменить эти 9 аминокислот на другие. Результат был противоречащий австралийскому: аминокислоты из разных частей основного домена влияли на накопление Tat белка в ядре. «Для разрешения этого противоречия Артур Залевский из Института биоорганической химии РАН предложил использовать методы вычислительной биологии. Проведенные им расчеты показали, что с импортином могут взаимодействовать самые разные участки основного домена, то есть любой участок имеет возможность связаться с рецептором, – поясняет Евгений Шеваль. – После этого удалось обнаружить признаки такого множественного связывания в опубликованной структуре комплекса импортина с основным доменом. Таким образом, кажется, что накопление белка в ядре определяется множественными связываниями основного домена с импортинами. По-видимому, не все из таких положений могут быть одинаково эффективны, но в сумме они позволяют эффективно накапливать белок внутри ядра. Это позволило предположить, что сигнал ядерной локализации возник следующим образом. Для эволюции белка важно было присутствие домена, который будет взаимодействовать с РНК, что привело к появлению домена, обогащенного положительно заряженными аминокислотами. Но этот участок мог связываться разными, пусть и не всегда оптимальными способами с импортинами, и как следствие, белок автоматически приобретал способность накапливаться в ядре, что для вируса выгодно. То есть эта функция возникла автоматически, она интегрирована в структуру основного домена».

По результатам исследования, аналогичная ситуация могла произойти и с возникновением третьей функции Tat белка – сигналом ядрышковой локализации. Учёные МГУ выяснили, что его перемещение в ядрышко обусловлено электростатическим взаимодействием аминокислот основного домена с компонентами ядрышка. «Таким образом, можно предположить, что в ходе эволюции возник крайне специализированный белковый домен, функция которого состоит в активации синтеза вирусной РНК. Но из-за обогащенности положительно заряженными аминокислотами этот домен неизбежно начал выполнять и еще две функции: накопления белка в ядре и ядрышке. Причем, первая функция вирусу оказалась выгодной. Полезна ли вторая из этих функций — остается загадкой. Как бы то ни было, интеграция нескольких функций могла помогать вирусу приобретать новые функции без увеличения размера белков, а значит, и размера вирусных частиц», – подытоживает Евгений Шеваль.

В исследовании принимали участие студенты, аспиранты и сотрудники нескольких подразделений МГУ имени М.В. Ломоносова – Института физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, биологического факультета и факультета биоинженерии и биоинформатики, – а также сотрудники Института биоорганической химии РАН, Института Густава Русси (Institut Gustave Roussy, Франция) и Европейской молекулярно-биологической лаборатории (European Molecular Biology Laboratory, Германия).