Введение

Структурный мотив в белках

Скрученная катушка – это структурный мотив в белках, в котором от 2 до 7 альфа-спиралей скручены вместе, подобно нитям веревки. (Димеры и тримеры – наиболее распространенные типы.) Они встречаются примерно в 5–10% белков и выполняют разнообразные функции. Это один из наиболее широко распространенных мотивов, встречающихся во взаимодействиях белок-белок. Для изучения белков разработано несколько инструментов, предназначенных для предсказания скрученных катушек в белковых структурах. Многие белки, содержащие скрученную катушку, участвуют в важных биологических функциях, таких как регуляция экспрессии генов, например, факторы транскрипции. Яркими примерами являются онкопротеины c-Fos и c-Jun, а также мышечный белок тропомиозин.

Открытие

Возможность существования спиральных структур для α-кератина изначально была несколько спорной. Линус Полинг и Фрэнсис Крик независимо друг от друга пришли к выводу о её возможности примерно в одно и то же время. Летом 1952 года Полинг посетил лабораторию в Англии, где работал Крик. Полинг и Крик встретились и обсудили различные темы; в какой-то момент Крик спросил, рассматривал ли Полинг "свернутые спирали" (термин придумал Крик), на что Полинг ответил утвердительно. Вернувшись в Соединенные Штаты, Полинг возобновил исследования по этой теме. Он пришел к заключению, что спиральные структуры существуют, и в октябре представил развернутую рукопись в журнал Nature. Сын Полинга, Питер Полинг, работал в той же лаборатории, что и Крик, и упомянул ему об этом отчете. Крик полагал, что Полинг украл его идею, и через несколько дней после поступления рукописи Полинга представил в Nature более короткую заметку. В конечном итоге, после некоторых споров и многочисленной переписки, лаборатория Крика заявила, что оба исследователя пришли к этой идее независимо, и интеллектуальной кражи не произошло. В своей заметке (которая была опубликована первой из-за меньшего объема) Крик предложил модель свернутой спирали, а также математические методы для определения её структуры. Примечательно, что это произошло вскоре после того, как в 1951 году Линус Полинг и его коллеги предложили структуру α-спирали. Эти исследования были опубликованы до того, как стали известны последовательности кератина. Первые последовательности кератина были определены Ханукоглу и Фуксом в 1982 году. На основе анализа последовательности и предсказания вторичной структуры были идентифицированы домены свернутых спиралей кератинов.

Молекулярная структура

Скрученные катушки обычно содержат повторяющийся паттерн hxxhcxc, состоящий из гидрофобных (h) и заряженных (c) аминокислотных остатков, именуемый гептадным повтором. Позиции в гептадном повторе обычно обозначаются abcdefg, где a и d – гидрофобные позиции, которые часто занимают изолейцин, лейцин или валин. Сворачивание последовательности с этим повторяющимся паттерном в альфа-спиральную вторичную структуру приводит к тому, что гидрофобные остатки располагаются в виде "полосы", которая плавно обвивается вокруг спирали в левостороннем направлении, формируя амфипатическую структуру. Наиболее энергетически выгодным способом организации двух таких спиралей в водной среде цитоплазмы является скручивание гидрофобных участков друг к другу, зажатых между гидрофильными аминокислотами. Таким образом, именно скрытие гидрофобных поверхностей обеспечивает термодинамическую движущую силу олигомеризации. Упаковка в интерфейсе скрученной катушки исключительно плотная, с почти полным контактом Ван-дер-Ваальса между боковыми цепями остатков a и d. Эта плотная упаковка была впервые предсказана Фрэнсисом Криком в 1952 году.

Биологические роли

Поскольку домены скрученных катушек широко распространены среди большого числа белков в самых разных семействах, они помогают белкам выполнять разнообразные функции в клетке. Их ключевая особенность – облегчение белок-белковых взаимодействий и обеспечение сцепления белков или доменов. Эта особенность обуславливает ряд подфункций, таких как слияние мембран, поддержание молекулярного расстояния, метки для олигомеризации, транспорт везикул, участие в движении белков, формирование клеточной структуры и многое другое.

Мембранный синтез

Домен скрученной катушки играет роль в ВИЧ-инфекции. Проникновение вируса в CD4-положительные клетки начинается, когда три субъединицы гликопротеина 120 (gp120) связываются с CD4-рецептором и корецептором. Гликопротеин gp120 тесно ассоциирован с тримером gp41 посредством ван-дер-ваальсовых взаимодействий. В конечном итоге, N-концевой пептид слияния gp41 закрепляется в клетке-хозяине. Механизм, подобный пружине, отвечает за сближение вирусной и клеточной мембран на достаточное расстояние для их слияния. Источник этого механизма находится в экспонированном gp41, который содержит два последовательных гептадных повтора (HR1 и HR2), расположенных после пептида слияния на N-конце белка. HR1 формирует параллельную тримерную скрученную катушку, вокруг которой навивается область HR2, образуя тримерную структуру, состоящую из шпилек (или шестиспиральный пучок), тем самым облегчая слияние мембран, сближая их. Затем вирус проникает в клетку и начинает репликацию. Недавно были разработаны ингибиторы, производные от HR2, такие как Fuzeon (DP178, T 20), которые связываются с областью HR1 на gp41. Однако пептиды, полученные из HR1, обладают низкой противовирусной эффективностью из-за их склонности к агрегации в растворе. Химеры этих пептидов, производных от HR1, с лейциновыми молниями GCN4 были разработаны и показали более высокую активность, чем Fuzeon. Белки SNAP 25, синаптобревин и синтаксин 1 содержат альфа-спирали, которые взаимодействуют друг с другом, образуя спиральный SNARE-комплекс. Скрепление этих доменов вместе обеспечивает необходимую энергию для слияния везикул.

Молекулярные дистанционные устройства

Мотив скрученной катушки также может служить спейсером между двумя объектами внутри клетки. Длины этих молекулярных спейсерных доменов скрученной катушки строго консервативны. Назначение этих молекулярных спейсеров может заключаться в разделении белковых доменов, предотвращая их взаимодействие, или в разделении везикул внутри клетки для обеспечения транспорта везикул. Примером первой функции является Omp-α, обнаруженный у T. maritima. Другие белки поддерживают разделение везикул, такие как p115, giantin и GM130, которые взаимодействуют друг с другом посредством мотивов скрученной катушки и действуют как тетер (связующий комплекс) между аппаратом Гольджи и близлежащей везикулой. Семейство белков, связанных с этой функцией – тетерированием везикул к аппарату Гольджи – известно как гольгины. Наконец, несколько белков с доменами скрученной катушки участвуют в кинетохоре, который обеспечивает разделение хромосом во время деления клеток. К этим белкам относятся Ndc80 и Nuf2p. Родственные белки взаимодействуют с микротрубочками во время деления клеток, и мутации в них приводят к гибели клеток.

В качестве олигомеризационных меток

Из-за их специфического взаимодействия, спиральные структуры могут использоваться как "метки" для стабилизации или поддержания определенного состояния олигомеризации. Наблюдалось, что спиральное взаимодействие способствует олигомеризации субъединиц BBS2 и BBS7 BBSome. Поскольку спиральные структуры обычно взаимодействуют с другими спиральными структурами, они встречаются в белках, которым необходимо образовывать димеры или тетрамеры из нескольких своих копий. Благодаря их способности инициировать олигомеризацию белков, они также изучались в контексте создания синтетических наноструктур.

Дизайн

Общая проблема определения пространственной структуры белка по аминокислотной последовательности (так называемая проблема свертывания белка) решена лишь частично. Однако, коилед-койл является одним из относительно небольшого числа мотивов сворачивания, для которых взаимосвязь между последовательностью и конечной пространственной структурой сравнительно хорошо изучена. Харбери и соавторы провели основополагающее исследование, используя архетипический коилед-койл GCN4, в котором были установлены правила, определяющие влияние пептидной последовательности на олигомерное состояние (то есть количество альфа-спиралей в конечной сборке). Коилед-койл GCN4 состоит из 31 аминокислоты (что эквивалентно чуть более чем четырем гептадам), является параллельным, димерным (то есть состоящим из двух альфа-спиралей) и имеет повторяющиеся изолейцин (или I, в однобуквенном коде) и лейцин (L) в позициях a и d соответственно, формируя димерный коилед-койл. Когда аминокислоты в позициях a и d были изменены с I в a и L в d на I в a и I в d, образовался тримерный (три альфа-спирали) коилед-койл. Более того, переключение позиций L на a и I на d привело к образованию тетрамерного (четыре альфа-спирали) коилед-койла. Это представляет собой набор правил для определения олигомерных состояний коилед-койла и позволяет ученым эффективно "настраивать" поведение олигомеризации. Другим относительно хорошо изученным аспектом сборки коилед-койлов, по крайней мере в случае димерных коилед-койлов, является то, что размещение полярного остатка (в частности, аспарагина, N) в противоположных позициях a вынуждает к параллельной сборке коилед-койла. Этот эффект обусловлен самодополняющимся водородным связыванием между этими остатками, которое осталось бы неудовлетворенным, если бы N был спарен, например, с L на противоположной спирали. Недавно Пикок, Пикраменоу и их коллеги продемонстрировали, что коилед-койлы могут самособираться с использованием ионов лантанида(III) в качестве матрицы, тем самым создавая новые визуализирующие агенты.

Биомедицинские применения

[[Файл:Оригами из спиральной белковой катушки. gif|thumb|Некоторые примеры наноструктур белков, созданных с использованием мотивов спиральных катушек. Первые три изображения на рисунке более точно отображают наноструктуру, а изображения ниже демонстрируют их базовую форму. Они могут использоваться в качестве строительных блоков для создания более сложных наноструктур. В отношении доставки лекарств, домены спиральных катушек помогут преодолеть некоторые риски химиотерапевтических препаратов, предотвращая их утечку в здоровые ткани во время транспортировки к цели. Домены спиральных катушек могут быть сконструированы для связывания с определенными белками или клеточными поверхностными маркерами, обеспечивая более точное нацеливание при доставке лекарств. Другая функция – помощь в хранении и транспортировке лекарств внутри организма, которые в противном случае быстро разрушались бы, путем создания нанотрубок и других структур посредством переплетения мотивов спиральных катушек. Олигомеризация мотивов спиральных катушек позволяет создавать белковое оригами и белковые строительные блоки. В этой области исследования изучались металл-лигандные взаимодействия, ковалентные связи и ионные взаимодействия для управления возможными взаимодействиями спиральных катушек. Использование пептидов с мотивами спиральных катушек в качестве каркаса облегчило создание трехмерных структур для культивирования клеток. С помощью этих пептидов можно создавать 3D-гидрогели, в которые затем загружают клетки. Это находит применение в изучении тканей, тканевой инженерии и других областях.