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, 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».
Жизнедеятельность вирусов невозможна вне клеток живых организмов, что накладывает ограничения на размер их частиц, геномов и, соответственно, белков
Основной домен Tat-белка длиной девять 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, ее 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 пока не выяснен. 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: девять аминокислот против обычных четырех. С импортинами у основного домена действительно связываются лишь четыре аминокислоты, и австралийские ученые в 2017 году определили ту самую последовательность, которая участвует в этом взаимодействии. Однако ученые из МГУ попробовали последовательно заменить эти девять аминокислот на другие. Полученный результат противоречил 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».
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 другие функции
Как показали результаты исследования, аналогичная ситуация могла произойти и с возникновением третьей функции Tat-белка — сигналом ядрышковой локализации. Ученые из 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 еще две функции: накопления белка в ядре и ядрышке. Причем первая функция вирусу оказалась выгодной. Полезна ли вторая — 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 Гюстава Русси (Institut Gustave Roussy, Франция) и Европейской молекулярно-биологической лаборатории (European Molecular Biology Laboratory, Германия).
По материалам пресс-службы МГУ
Темы: Наука и технологии