Прежде чем быть уничтоженным, белок проходит сложную многоуровневую систему проверки – клетка перестраховывается, чтобы случайно не уничтожить всё ещё нужную, правильно работающую молекулу.

В любой клетке можно найти дефектные белковые молекулы: во-первых, могут ошибаться сами рибосомы, синтезирующие белки на матрице РНК, во-вторых, белки со временем стареют, аминокислоты, из которых они состоят, приобретают нежелательные модификации, которые делают весь белок бесполезным, а в худшем случае – просто опасным. Многие болезни, в том числе и нейродегенеративные (к которым относятся синдромы Альцгеймера, Паркинсона и т. д.), возникают как раз из-за накопления неправильных, дефектных, поломанных белковых молекул.

Протеасома и расщепляемая ею полипептидная цепь. Фото Ali.A Rastegari / Flickr.com.

Но у клеток на самом деле есть специальная система, которая должна весь такой мусор ликвидировать. Система включает в себя довольно много молекулярных игроков, и в качестве наиболее известного можно назвать протеасому – крупный белковый комплекс, который разрушает другие белки (то есть работает как фермент протеаза). Протеасома по структуре похожа на бочонок с крышкой: крышка открывается, полипептидная цепь проникает в бочонок и расщепляется в нём до коротких фрагментов длиной всего в несколько аминокислот.

Есть и другие механизмы утилизации ненужных белковых молекул, однако считается, что деградация 80–90 % внутриклеточных белков происходит именно за счёт протеасомы. Причём она разрушает не только дефектные белки. Порой клетке нужно выключить какой-то процесс, или, например, перейти из одной фазы жизненного цикла в другую – скажем, запустить собственное деление. И тогда протеасома устраняет те молекулы, которые этому мешают (их можно назвать функциональным мусором: они уже не нужны и лишь тормозят развитие). Получается, что она не только выполняет функцию мусорщика, но и играет роль важного регулятора клеточных процессов. Однако тут возникает важный вопрос: как протеасомный комплекс узнаёт то, что нужно «переварить»? Ответ на него вроде бы есть: уже достаточно давно известно, что белки, предназначенные для утилизации, снабжаются специальной меткой в виде небольшого белка убиквитина. В клетке достаточно много ферментов, называемых убиквитин-лигазами, которые пришивают убиквитиновую «чёрную метку» к белковым молекулам. Один из них называется APC (anaphase-promoting complex), и от него как раз зависит нормальных ход клеточного цикла: APC навешивает убиквитин на белки, которые не позволяют клетке разделиться.

Однако впоследствии стало ясно, что убиквитиновая метка для утилизации белка недостаточна, хотя и необходима. В клетке можно найти вполне здоровые, функциональные белки, которые работают как раз тогда, когда нужно, и у которых при том есть убиквитин. Как оказалось, «чёрная метка» может быть нужна некоторым молекулам для каких-то иных целей (например, от неё зависит внутриклеточная «прописка» белковой молекулы), и процесс присоединения и отсоединения её идёт постоянно. Иными словами, должен быть ещё какой-то параметр, по которому фермент-«мусорщик» должен узнавать, что следует переработать.

Этой проблемой долгое время занималась группа Марка Киршнера (Marc Kirschner) из Гарвардского университета. Известно, что убиквитиновая добавка может состоять как из одной молекулы убиквитина, так и из нескольких – то есть, если продолжить метафору с «чёрной меткой», белок может получить как одну метку, так и сразу несколько. От того, в каком виде белок её получил, зависит его судьба: обычно сигналом к расщеплению в протеасоме служат именно несколько убиквитинов. В статье, опубликованной в Science, Марк Киршнер и его коллеги описывают, как происходит мечение белка комплексом APC – тем самым, который регулирует клеточное деление.

Исследователи сумели увидеть работу одного-единственного экземпляра молекулярного комплекса – с помощью светящейся метки, с помощью светящихся белков, которых нужно было пометить, и с помощью особого метода микроскопирования. Оказалось, что APC может по много раз возвращаться к одной и той же молекуле. Когда он ставит метку в первый раз, то одновременно оценивает своё сродство к помечаемому белку – то, насколько прочно, насколько сильно он с ним взаимодействует. Таких «пристрелочных» «визитов» нужно не более двух, после чего комплекс APC как бы понимает, стоит ли дальше работать с конкретной молекулой или нет. Если нет, то белок-мишень останется с меткой из одного-двух убиквитинов, если же сродство убиквитин-лигазного комплекса к какой-то мишени велико, то он придёт к ней ещё несколько раз, и метка прирастёт ещё на несколько убиквитинов.

При этом маленькие убиквитиновые молекулы могут быть присоединены к разным участкам большой мишени. В результате работы комплекса APC в клетке появляется набор белков, разукрашенных самыми разнообразными способами: у кого-то убиквитин всего один, у кого-то – цепочка из двух убиквитинов, у кого-то – целых три метки, но в разных местах молекулы, и т. д. И вот здесь в дело вступает собственно протеасома, которая должна решить, кого ей нужно расщепить.

Как было сказано выше, «топка» протеасомного комплекса прикрыта своеобразной крышкой, и, чтобы сторонний белок смог проникнуть туда, он должен её открыть. Здесь успех сопутствует тем молекулам, у которых больше всего убиквитинов (как мы упоминали выше, именно богато помеченные белки как раз с большей вероятностью расщепляются молекулярным «мусорщиком»). Но мало открыть дверь, нужно ещё пройти внутрь.

Во второй статье, опубликованной в том же Science, авторы описывают изменения в самой протеасоме, происходящие при взаимодействии с потенциальным «мусором». Известно, что у любого белка и белкового комплекса есть собственная пространственная форма, которая, однако, не закреплена абсолютно жёстко, а может постоянно меняться благодаря подвижности химических связей. Со стороны может показаться, будто молекула «дышит», но неритмично, нерегулярно, и разными своими частями – по-разному. И протеасома, когда с ней связывается очередной белок, начинает двигаться, пытаясь установить более удобные контакты с «гостем». Другими словами, она как бы ощупывает убиквитинилированный белок, пытаясь пропустить его в каталитический центр – туда, где он будет порезан на короткие полипептидные фрагменты. Видео с трёхмерными моделями протеасомы и подлежащего утилизации белка можно посмотреть здесь.

Итак, белку мало иметь много меток-убиквитинов – нужно, чтобы и он сам, и его метки сумели надавить на секретные места в протеасомном комплексе, чтобы тот пропустил их внутрь. Здесь опять же следует оговориться, что имеется в виду не однократное взаимодействие, а постоянная подгонка друг к другу подвижных («дышащих») молекул (в случае протеасомы – целого комплекса молекул). Благодаря такому дополнительному свойству комплекс-«мусорщик» может делать отбор между белками, которые действительно надо утилизировать, и белками, у которых убиквитиновая метка служит каким-то иным целям. Другой фильтр – метящий комплекс APC, который снабжает белки разным количеством убиквитинов, и у них в зависимости от этого появляется или не появляется способность провзаимодействовать с протеазой.

Стоит сказать, что APC – не единственный, кто занимается пришиванием убиквитинов к белкам, да и сами протеасомы у разных организмов могут отличаться. Однако среди биомолекул распознавание друг друга по взаимным конформационным изменениям – вещь более чем обычная, так что, возможно, другие ферменты убиквитин-лигазы точно также оценивают молекулы-мишени по их сродству к ним. Можно со всей уверенностью сказать, что авторам работы удалось продвинуться ещё на один шаг в понимании одного из фундаментальных процессов, который имеет место в любой живой клетке. Но у полученных данных есть и очевидная практическая перспектива: если бы мы знали, как клетка убирает внутри себя белковый мусор, мы могли бы распрощаться с множеством заболеваний, связанных именно с плохой работой клеточного мусороуборочного аппарата.