В Трудах Национальной академии наук Татьяна Поленова, профессор химии и биохимии, и ее команда из Университета Делавэра, вместе с Джоном К. Уильямсом, доцентом Исследовательского института Бекмана города Надежды в Дуарте, Калифорния. , впервые раскрывают — атом за атомом — структуру одного из этих белков, связанных с микротрубочкой.Белок фокуса, CAP-Gly, сокращение от «цитоскелет-ассоциированные белковые-богатые глицином домены», является компонентом динактина, который связывается с моторным белком динеином, чтобы перемещать грузы основных белков по дорожкам микротрубочек. Мутации в CAP-Gly связаны с такими неврологическими заболеваниями и расстройствами, как синдром Перри и мышечная дистрофия дистального отдела спинного мозга.Исследовательская группа использовала спектрометрию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) с вращением под магическим углом в Департаменте химии и биохимии Университета штата Вашингтон, чтобы раскрыть структуру белка CAP-Gly, собранного на полимеризованных микротрубочках.
Белок CAP-Gly состоит из 1329 атомов, а каждый димер тубулина, который является строительным блоком для микротрубочек, содержит около 14000 атомов.«Это первый раз, когда кому-либо удалось получить структуру с атомным разрешением любого ассоциированного с микротрубочками белка, собранного на полимеризованных микротрубочках», — говорит Поленова. «С помощью ЯМР, вращающегося под магическим углом, мы можем изучить структуру этой и других сборок микротрубочек и связанных с ними белков и получить критическое представление об их функциях и динамике, а также начать собирать ключи к разгадке того, как мутации вызывают заболевания. "В этом методе образец помещается в небольшой трубчатый ротор ЯМР, который затем вращается внутри магнита ЯМР под углом 54,74 градуса — это называется «магическим углом», потому что он подавляет магнитное взаимодействие атомов.Результатом является отпечаток белка с высоким разрешением, график из сотен пиков, представляющих частоты двух или более взаимодействующих атомов.
Эти данные затем используются для расчета трехмерных структур.Трехмерные структуры CAP-Gly, которые показывают пространственное расположение атомов в молекуле белка, различаются между свободным состоянием белка и его связанным состоянием с микротрубочкой.
Эти структуры показывают, как белок взаимодействует с микротрубочками, преимущественно через его петлевые участки, которые при связывании принимают специфические конформации.Однако статические структуры CAP-Gly не могут полностью рассказать о белке.«Так же, как мы постоянно двигаем руками и ногами, белки очень динамичны. Они не стоят на месте», — говорит Поленова. «Эти движения необходимы для их биологической функции, и ЯМР-спектроскопия — единственный метод, который может регистрировать такие движения с атомным разрешением в различных временных масштабах, от пикосекунд до произвольно длинных временных масштабов — секунд, дней, недель — чтобы помочь нам понять функцию белка.
Из наших предыдущих исследований мы знаем, что CAP-Gly является динамичным во временных масштабах от нано- до миллисекунд, и эта подвижность важна для способности белка взаимодействовать с микротрубочками и множеством других партнеров по связыванию ».Исследования, которые продолжаются с 2008 года, когда были собраны первые наборы данных, потребовали разработки новых протоколов для подготовки образцов, новых экспериментов ЯМР для сбора различной информации о структуре и динамике, а также новых протоколов для анализа данных.
В будущем Поленова и ее команда предполагают использовать ЯМР в сочетании с криоэлектронной микроскопией, при которой образцы исследуются при чрезвычайно низких температурах, обычно ниже 200 градусов по Фаренгейту, чтобы исследовать еще более сложные системы в хорошо сохранившейся форме.