Биофизики МГУ приблизились к разгадке появления нейродегенеративных заболеваний

Международная команда учёных, куда вошли сотрудники биологического и физического факультетов МГУ, выяснила аспекты регуляции сборки и разборки белкового скелета клеток.

Молекулярно-динамические расчеты производились на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов-2». Исследование может пролить свет на патофизиологию нейродегенеративных заболеваний, его результаты опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Developmental Cell. Работа выполнена в рамках деятельности НОШ МГУ «Фотоника».

Внутренний скелет клеток высших организмов состоит из трех основных типов белковых структур: микротрубочек, актиновых нитей и промежуточных филаментов. Наиболее жесткими каркасными структурами являются микротрубочки, представляющие собой длинные цилиндры, собранные из двух похожих глобулярных белков: α- и β-тубулинов.

С помощью микротрубочек осуществляются многие жизненно важные процессы: движение клеток с помощью жгутиков и ресничек, внутриклеточный транспорт, поддержание формы клеток, организация внутриклеточного пространства и клеточное деление.

В основе многофункциональности микротрубочек лежит явление динамической нестабильности. То есть микротрубочки могут спонтанно переходить от медленного удлинения к стремительному укорочению. Во всех клетках организма сборка и разборка микротрубочек четко регулируется. Например, в одних тканях они становятся более стабильными, а в других - динамика полимеров тубулина наоборот активизируется, приводя к изменению микротрубочек.

Более того, иногда эти процессы настраиваются по-разному в разных частях одной клетки. Для этого специальные ферменты помечают гибкие участки на концах тубулинов - тубулиновые хвосты - с помощью специальных модификаций. Ферменты могут, например, отсоединить аминокислоты от тубулинового хвоста или, наоборот, подшить их. Поскольку подобные модификации сообщают информацию о дальнейших перестроениях, их называют тубулиновым кодом.

О том, к каким изменениям приводят те или иные модификации, на сегодняшний день известно довольно много. А вот как именно это информация считывается и реализуется до сих пор не ясно. Исследователи из МГУ совместно с зарубежными коллегами решили выяснить один из аспектов этого вопроса — модификации тубулиновых хвостов сами по себе приводят к изменению динамических свойств микротрубочек, или они служат лишь сигнальным агентом для других белков. 

Сотрудники кафедр биофизики биологического и физического факультетов МГУ теоретически показали, что тубулиновые хвосты могут напрямую влиять на скорость сборки микротрубочек.

«На суперкомпьютере „Ломоносов-2“ мы провели молекулярно-динамические расчеты, которые позволили теоретически показать, что гибкие хвосты α-тубулинов могут блокировать поверхность глобулы тубулина, необходимую для встраивания субъединицы тубулина в микротрубочку», - рассказал ведущий научный сотрудник биологического факультета МГУ Илья Коваленко.

Американская часть научного коллектива экспериментально проверила теоретические предсказания учёных МГУ. Опыты показали, что удаление гибкого хвоста α-тубулинов почти вдвое ускоряет сборку микротрубочек. Это позволяет предположить, что белки, связывающиеся с тубулинами, способны активировать сборку микротрубочек, взаимодействуя с заряженным хвостом тубулина.

Помимо того установлено, что удаление аминокислоты тирозина с конца заряженного хвоста α-тубулина влияет на микротрубочки опосредованно, препятствуя посадке на микротрубочки дополнительных регуляторных белков.

«Совокупно полученные нами данные проясняют механизмы изменения динамики микротрубочек, зашифрованные тубулиновым кодом. Понимание тонкой регуляции свойств микротрубочек с помощью их гибких хвостов может пролить свет на патофизиологию нейродегенеративных заболеваний и нарушений развития организма, связанных с отклонениями динамических свойств микротрубочек от нормы», - сделал заключение руководитель теоретической части работы, старший научный сотрудник физического факультета МГУ Никита Гудимчук.

Авторами публикации также являются научный сотрудник биологического факультета Владимир Фёдоров и младший научный сотрудник биологического факультета Екатерина Холина.