Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с коллегами из МГУ и ИБХФ РАН выяснили, как работает комплекс из фермента ГТФазы Ran и его активатора при гидролизе ГТФ — процессе, лежащем в основе передачи ряда клеточных сигналов. Оказалось, что «аргининовые пальцы», считавшиеся критически важными для этого семейства белков, ему вовсе не нужны, при этом он остается очень эффективным. Открытие механизма поможет при исследованиях раковых заболеваний, которые часто прогрессируют из-за сбоев в ГТФазной системе передачи информации. Подробнее с результатами исследования можно ознакомиться на страницах журнала ACS Catalysis.
Гуанозинтрифосфат (ГТФ) — один из нуклеотидов, на основе которого происходит сборка молекул РНК наматрице ДНК. Также он служит источником энергии в различных биологических реакциях, например синтезе белка, и участвует в специфических процессах передачи сигналов в клетке. В последнем случае особые ферменты, так называемые малые ГТФазы, отщепляют фрагмент фосфатного «хвоста» нуклеотида, превращая гуанозинтрифосфат в гуанозиндифосфат (ГДФ). Без помощника скорость этой реакции очень мала, но с белком-активатором семейства GAP она происходит примерно на пять порядков быстрее.
«Сбои в этой системе могут спровоцировать развитие и метастазирование раковых опухолей, а потому ее активно изучают. В исследованиях часто используют малую ГТФазу Ras из саркомы крысы. В комплексе этого белка с его ускорителем важнейшую роль играет «аргининовый палец» — аминокислотный остаток аргинина, расположенная в белке-ускорителе GAP и проникающая в активный центр ГТФазы в результате образования их комплекса. Именно этот остаток, как считается, критически важен для ускорения реакции гидролиза ГТФ. Другая ГТФаза из этой группы, Ran, взаимодействует со своим помощником с таким же ускорением, но здесь нет никаких «аргининовых пальцев». Мы решили разобраться в чем секрет ее работы», — объясняет Мария Хренова, д.ф.-м.н., руководитель группы молекулярного моделирования ФИЦ Биотехнологии РАН.
Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с коллегами из МГУ имени М.В. Ломоносова и ИБХФ имени Н.М. Эмануэля РАН смоделировали на компьютере взаимодействие ГТФазы Ran с соответствующим ей белком-активатором и реакцию этого комплекса с ГТФ. Симуляцию делали при помощи методов квантовой и молекулярной механики: такой подход позволяет описывать ту часть системы, где проходит химическая реакция, методами квантовой химии (молекула — ядра и электроны), а всю остальную часть белкового комплекса – в рамках классических представлений (молекула – набор связанных атомов). Движения фрагментов системы и то, в каком состоянии они «зафиксируются», обуславливается энергетическими максимумами и минимумами. Они как будто проходят по пересеченной местности, практически энергетической карте, — забираются на горку, например, чтобы разорвать химическую связь и скатываются в низину, когда, например, образуется новая связь.
Основываясь на таких принципах, авторы постадийно смоделировали все протекающие при гидролизе ГТФ процессы, включая поведение Ran без белка-помощника. Оказалось, что секрет комплекса в том, что активатор нужен для того, чтобы зажать активный центр ГТФазы. В результате получается полость, в которой ответственные за реакцию аминокислоты и молекулы воды, неминуемо попадающие из окружения, располагаются наиболее удобным образом. Благодаря этому фермент Ran и помощник обходятся без «аргининовых пальцев», не теряя в эффективности по сравнению с другими представителями семейства.
«Понимание глубинных механизмов работы ГТФаз в процессе гидролиза поможет в исследованиях рака. Многие специфические лекарства направлены на блокирование либо активных центров, либо на предотвращение контакта фермента и его помощника. Возможно, наше открытие ляжет в основу разработки такого препарата», — подводит итог Мария Хренова.