Структура белка из шелкопряда помогла российским биотехнологам узнать больше для защиты зрения человека
Транспортный белок STARD3 способствует накоплению каротиноидов в сетчатке человеческого глаза. Именно они работают в так называемом «желтом пятне» сетчатки, защищая ее от окислительного стресса и дегенерации. У беспозвоночных — например, у тутового шелкопряда Bombyx mori, — есть белки с похожими функциями и, предположительно, сходной структурой. У этих насекомых белок BmCBP, очень похожий на STARD3, отвечает за накопление каротиноидов и окраску шелка. Однако то, какую трехмерную форму принимает этот белок для выполнения своей функции, было неизвестно. Биологи из ФИЦ Биотехнологии РАН вместе с коллегами из Москвы, Минска и Берлина исследовали белок BmCBP при помощи кристаллографии и выяснили его структурные особенности и механизм связывания каротиноидов. Результаты опубликованы в престижном научном журнале Structure. Исследование проводилось при поддержке национального проекта «Наука и университеты».
Семейство стероидогенных регуляторных белков (steroidogenic acute regulatory lipid transfer или START) отвечает за транспортировку различных гидрофобных (нерастворимых в воде) субстанций между разными тканями, клетками и частями клеток эукариот. У людей есть 15 белков из этого семейства, различающихся по специализации: одни переносят желчные кислоты, другие — различные стероидные гормоны, третьи — каротиноиды или другие молекулы. В структуре каждого такого белка образует специальная полость, внутри которой связывается молекула липида (жироподобного вещества). Минимальный фрагмент этого белка, который может выполнять эту функцию, называется START-домен, или STARD. В зависимости от репертуара связываемых липидов START белки получили разную нумерацию (от 1 до 15). По строению полости у белков START отличаются, что и определяет, какие липиды с ними будут связываться. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН детально сравнили структуру белка STARD3 и родственного ему белка BmCBP из тутового шелкопряда.
«Мы определили пространственную структуру белка BmCBP у тутового шелкопряда с высоким разрешением. Этот белок связывает и переносит каротиноиды, что определяет окраску шелка — а мы знаем, что шелководству более 4000 лет. Но каротиноиды не менее важны и для здоровья человека, потому что они обладают антиоксидантными свойствами. Теоретически, данный белок можно использовать для адресной доставки антиоксидантов. Это помогло бы бороться с окислительным стрессом в клетках — а ведь именно он, например, вызывает возрастную дегенерацию сетчатки», — отмечает ведущий автор статьи Николай Случанко, доктор биологических наук, руководитель группы «Белок-белковые взаимодействия» ФИЦ Биотехнологии РАН.
Каротиноиды играют большую роль в зрении человека, помогая защищать сетчатку от ультрафиолета и фотоповреждения, которые с возрастом могут вызвать ее дегенерацию. Если этих соединений не хватает в пище, зрение человека может ухудшиться. Именно поэтому полезно есть богатые каротиноидами продукты — например, ягоды, фрукты и зеленые овощи. Ученые показали, что белок BmCBP способен связывать каротиноиды различной природы, в том числе зеаксантин, лютеин, кантаксантин, астаксантин и другие, которые особенно важны для здоровья человека. С помощью направленного введения мутаций было показано, какие аминокислотные остатки белка BmCBP определяют его способность связывать каротиноиды, а также было обнаружено, что BmCBP гораздо более эффективен по части связывания каротиноидов, чем белок STARD3 человека.
Летом этого года та же группа ученых опубликовала статью, в которой была показана возможность получения функционального комплекса белка BmCBP с каротиноидами непосредственно в клетках кишечной палочки. Такое открытие позволяет получать физиологически активные формы каротиноидов в комплексе с водорастворимым белком BmCBP в клетках E.coli в биотехнологических масштабах.
«Наши данные объясняют молекулярный механизм захвата и доставки каротиноидов белками START семейства. Мы узнали больше о том, какие типы каротиноидов и за счет чего переносят эти белки. Это не только расширяет наши фундаментальные знания о мире, но открывает и новые возможности для биотехнологического производства и биомедицинского применения этих белков, в том числе для лечения различных заболеваний в долгосрочной перспективе», — заключил Николай Случанко.