Введение

Ядерный магнитный резонанс белков (обычно сокращенно белковый ЯМР) – это область структурной биологии, в которой спектроскопия ЯМР используется для получения информации о структуре и динамике белков, а также нуклеиновых кислот и их комплексов. Пионерами в этой области были Ричард Р. Эрнст и Курт Вютрих в ETH, Ад Бакс, Мариус Клор, Анджела Гроненборн в NIH и Герхард Вагнер в Гарвардском университете, среди других. Определение структуры с помощью спектроскопии ЯМР обычно состоит из нескольких этапов, каждый из которых использует отдельный набор высокоспециализированных методов. Образец подготавливают, проводят измерения, применяют интерпретационные подходы, вычисляют и валидируют структуру. ЯМР основан на квантово-механических свойствах центрального ядра атома. Эти свойства зависят от локального молекулярного окружения, и их измерение позволяет составить карту химических связей между атомами, их пространственного расположения и скорости движения относительно друг друга. Эти свойства принципиально схожи с теми, что используются в более известной магнитно-резонансной томографии (МРТ), однако молекулярные приложения используют несколько иной подход, адаптированный к изменению масштаба – от миллиметров (интересующих радиологов) до нанометров (расстояние между связанными атомами обычно составляет доли нанометра), что представляет собой разницу в миллион раз. Это изменение масштаба требует значительно более высокой чувствительности детектирования и стабильности при длительных измерениях. В отличие от МРТ, исследования в области структурной биологии не генерируют изображение напрямую, а полагаются на сложные компьютерные расчеты для создания трехмерных молекулярных моделей. В настоящее время большинство образцов исследуются в водном растворе, но разрабатываются методы для работы и с твердыми образцами. Сбор данных основан на помещении образца в мощное магнитное поле, прохождении радиочастотных сигналов через образец и измерении поглощения этих сигналов. В зависимости от окружения атомов в белке, ядра отдельных атомов поглощают различные частоты радиосигналов. Кроме того, сигналы поглощения разных ядер могут изменяться под воздействием соседних ядер. Эта информация может быть использована для определения расстояний между ядрами, которые, в свою очередь, позволяют определить общую структуру белка. Типичное исследование может быть посвящено изучению взаимодействия двух белков, возможно, с целью разработки малых молекул, которые можно использовать для изучения нормальной биологии этого взаимодействия («химическая биология») или для получения потенциальных кандидатов для фармацевтического применения (разработка лекарств). Часто взаимодействующие пары белков идентифицируются в исследованиях человеческой генетики, указывая на то, что взаимодействие может нарушаться неблагоприятными мутациями, или они могут играть ключевую роль в нормальной биологии «модельных» организмов, таких как дрозофила, дрожжи, червь C. elegans или мыши. Для подготовки образца обычно используют методы молекулярной биологии для получения необходимого количества путем бактериальной ферментации. Это также позволяет изменять изотопный состав молекулы, что желательно, поскольку изотопы ведут себя по-разному и обеспечивают методы идентификации перекрывающихся сигналов ЯМР.

Подготовка образца

Ядерный магнитный резонанс белков проводится на водных образцах высокоочищенных белков. Обычно объем образца составляет от 300 до 600 микролитров при концентрации белка от 0,1 до 3 миллимоляр. Белок может быть получен как из природных источников, так и произведен в системе экспрессии с использованием технологий рекомбинантной ДНК посредством генной инженерии. Белки, экспрессированные рекомбинантным путем, как правило, легче получить в достаточном количестве, и этот метод позволяет проводить изотопное мечение. Очищенный белок обычно растворяют в буферном растворе и доводят до необходимых условий среды. Образец для ЯМР готовят в тонкостенной стеклянной трубке.

Сбор данных

Для получения информации о белке используется ядерный магнитный резонанс (ЯМР) белков, применяющий многомерные эксперименты. В идеале, каждое отдельное ядро в молекуле находится в уникальной электронной среде и, следовательно, имеет уникальный химический сдвиг, по которому оно может быть идентифицировано. Однако в крупных молекулах, таких как белки, количество резонансов обычно составляет несколько тысяч, и одномерный спектр неизбежно содержит случайные перекрытия. Поэтому проводятся многомерные эксперименты, которые коррелируют частоты различных ядер. Дополнительные измерения уменьшают вероятность перекрытия и обладают большей информативностью, поскольку они коррелируют сигналы от ядер, находящихся в определенной части молекулы. Магнетизация передается в образец посредством импульсов электромагнитной (радиочастотной) энергии и между ядрами – с помощью временных задержек; этот процесс описывается так называемыми последовательностями импульсов. Последовательности импульсов позволяют экспериментатору исследовать и отбирать специфические типы связей между ядрами. Арсенал ЯМР-экспериментов, применяемых к белкам, можно разделить на две основные категории: одна, в которой магнетизация передается через химические связи, и другая, в которой передача осуществляется в пространстве, независимо от структуры связей. Первая категория используется для присвоения различных химических сдвигов конкретным ядрам, а вторая – главным образом для генерации пространственных ограничений, используемых при расчете структуры, а также для присвоения сигналов немеченым белкам. В зависимости от концентрации образца, напряженности магнитного поля спектрометра и типа эксперимента, один многомерный ЯМР-эксперимент с белковым образцом может занимать часы или даже несколько дней для достижения достаточного отношения сигнал/шум за счет усреднения сигнала и обеспечения достаточной эволюции передачи магнетизации по различным измерениям эксперимента. При прочих равных условиях, эксперименты с большей размерностью требуют больше времени, чем эксперименты с меньшей размерностью. Как правило, первым экспериментом, проводимым с изотопно-меченым белком, является двухмерный спектр гетеронуклеарной одноквантовой корреляции (HSQC), где термин "гетеронуклеарный" относится к ядрам, отличным от 1H. Теоретически, гетеронуклеарная одноквантовая корреляция дает один пик для каждого атома H, связанного с гетеронуклеусом. Таким образом, в 15N HSQC, с 15N-меченым белком, ожидается один сигнал для каждого атома азота в пептидной цепи, за исключением пролина, у которого отсутствует амидный водород из-за циклической структуры его пептидной цепи. Дополнительные сигналы 15N HSQC вносят остатки, содержащие азотно-водородную связь в боковой цепи (W, N, Q, R, H, K). 15N HSQC часто называют "отпечатком пальца" белка, поскольку каждый белок имеет уникальную картину расположения сигналов. Анализ 15N HSQC позволяет исследователям оценить, соответствует ли наблюдаемое количество пиков ожидаемому, и, таким образом, выявить возможные проблемы, связанные с наличием нескольких конформаций или неоднородностью образца. Относительно быстрый эксперимент гетеронуклеарной одноквантовой корреляции помогает определить целесообразность проведения последующих более длительных, дорогостоящих и сложных экспериментов. Невозможно однозначно присвоить пики конкретным атомам только на основании данных гетеронуклеарной одноквантовой корреляции.

Резонансная назначение

Для анализа данных ядерного магнитного резонанса важно установить соответствие между резонансными сигналами и атомами белка, то есть определить, какому атому соответствует какой химический сдвиг. Обычно это достигается методом последовательного переноса сигналов, основанным на информации, полученной из различных типов экспериментов ЯМР. Конкретная процедура зависит от того, является ли белок изотопно меченым или нет, так как многие эксперименты по установлению соответствия используют изотопы углерода-13 и азота-15.

Гомоядерный ядерный магнитный резонанс

При использовании немаркированного белка обычно проводят серию двухмерных гомоядерных экспериментов ядерного магнитного резонанса с использованием корреляционной спектроскопии (COSY), включающей несколько типов, таких как обычная корреляционная спектроскопия, тотальная корреляционная спектроскопия (TOCSY) и спектроскопия ядерного эффекта Оверхаузера (NOESY). Двумерный эксперимент ядерного магнитного резонанса создает двумерный спектр, где единицы измерения по обеим осям – химические сдвиги. COSY и TOCSY передают намагниченность через химические связи между соседними протонами. Эксперимент обычной корреляционной спектроскопии способен передавать намагниченность только между протонами на соседних атомах, в то время как в эксперименте тотальной корреляционной спектроскопии протоны могут ретранслировать намагниченность, передавая ее всем протонам, связанным через соседние атомы. Таким образом, в обычной корреляционной спектроскопии альфа-протон передает намагниченность бета-протонам, бета-протоны – альфа- и гамма-протонам (если они присутствуют), затем гамма-протон – бета- и дельта-протонам, и этот процесс продолжается. В тотальной корреляционной спектроскопии альфа-протон и все остальные протоны могут передавать намагниченность бета-, гамма-, дельта- и эпсилон-протонам, если они соединены непрерывной цепью протонов. Эта непрерывная цепь протонов соответствует боковым цепям отдельных аминокислот. Следовательно, эти два эксперимента используются для построения так называемых спиновых систем, то есть для составления списка резонансов химических сдвигов пептидного протона, альфа-протонов и всех протонов из боковых цепей каждого остатка. Соответствие между химическими сдвигами и ядрами в спиновой системе определяется связностью, полученной с помощью обычной корреляционной спектроскопии, и тем фактом, что различные типы протонов имеют характерные химические сдвиги. Для последовательного соединения различных спиновых систем необходимо использовать эксперимент спектроскопии ядерного эффекта Оверхаузера. Поскольку этот эксперимент передает намагниченность через пространство, он отображает перекрестные пики для всех протонов, находящихся близко друг к другу в пространстве, независимо от того, принадлежат ли они одной и той же спиновой системе. Соседние остатки по своей природе находятся близко в пространстве, поэтому установление соответствия между пиками в NOESY и другими спиновыми системами позволяет выполнить их назначение. Важной проблемой при использовании гомоядерного ядерного магнитного резонанса является перекрытие пиков, возникающее, когда разные протоны имеют одинаковые или очень близкие химические сдвиги. Эта проблема усугубляется с увеличением размера белка, поэтому гомоядерный ядерный магнитный резонанс обычно ограничивается небольшими белками или пептидами.

Ядерный магнитный резонанс на азоте-15

Наиболее часто выполняемым 15N экспериментом является 1H 15N HSQC. Этот эксперимент отличается высокой чувствительностью и поэтому может быть проведен относительно быстро. Он часто используется для оценки пригодности белка к определению структуры методами ЯМР, а также для оптимизации условий пробы. Это один из стандартных комплексов экспериментов, применяемых для определения структуры белка в растворе. HSQC может быть расширен до трех- и четырехмерных ЯМР-экспериментов, таких как 15N TOCSY HSQC и 15N NOESY HSQC.

Ядерный магнитный резонанс углерода-13 и азота-15

Когда белок маркируется углеродом-13 и азотом-15, становится возможным проводить эксперименты с тройным резонансом, которые передают намагниченность через пептидную связь и, таким образом, соединяют различные спиновые системы через ковалентные связи. Обычно это делается с помощью следующих экспериментов: |HNCO, |HN(CA)CO|, |HNCA, |HN(CO)CA, |HNCACB и |CBCA(CO)NH. Все шесть экспериментов состоят из плоскости 1H 15N (похожей на спектр HSQC), расширенной за счет углеродного измерения. В эксперименте |HN(CA)CO| каждая плоскость HN содержит пики карбонильного углерода как текущего, так и предшествующего аминокислотного остатка в последовательности. |HNCO| содержит химический сдвиг карбонильного углерода только от предшествующего остатка, но обладает значительно большей чувствительностью, чем |HN(CA)CO|. Эти эксперименты позволяют связать каждый пик 1H 15N с предшествующим карбонильным углеродом, а затем провести последовательное назначение, сопоставляя химические сдвиги собственных и предыдущих углеродов каждой спиновой системы. Эксперименты |HNCA| и |HN(CO)CA| работают аналогично, но используют альфа-углероды (Cα) вместо карбонильных групп, а |HNCACB| и |CBCA(CO)NH| содержат информацию как об альфа-, так и о бета-углеродах (Cβ). Обычно для разрешения перекрытий в углеродном измерении требуется несколько таких экспериментов. Эта процедура, как правило, менее неоднозначна, чем метод, основанный на NOESY, поскольку основана на передаче намагниченности через ковалентные связи. В методах, основанных на NOESY, появляются дополнительные пики, соответствующие атомам, близким в пространстве, но не принадлежащим к последовательным остаткам, что затрудняет процесс назначения. После первоначального последовательного назначения резонансов обычно можно расширить назначение от Cα и Cβ на остальную часть боковой цепи, используя такие эксперименты, как HCCH TOCSY, который по сути является экспериментом TOCSY, разрешенным в дополнительном углеродном измерении.

генерация ограничения

Для проведения расчетов структуры необходимо получить ряд экспериментально определенных ограничений. Они относятся к различным категориям, среди которых наиболее часто используются дистанционные и угловые ограничения.

Удерживающие устройства

Кросс-сигнал в эксперименте NOESY указывает на пространственную близость между двумя рассматриваемыми ядрами. Таким образом, каждый сигнал может быть преобразован в максимальное расстояние между ядрами, обычно в диапазоне от 1,8 до 6 ангстрем. Интенсивность сигнала NOESY пропорциональна расстоянию в минус шестой степени, поэтому расстояние определяется на основе интенсивности сигнала. Зависимость между интенсивностью и расстоянием не является точной, поэтому обычно используется диапазон расстояний. Крайне важно правильно отнести пики NOESY к соответствующим ядрам, основываясь на химических сдвигах. Если эта задача выполняется вручную, она обычно очень трудоемка, поскольку белки обычно имеют тысячи пиков NOESY. Некоторые компьютерные программы, такие как PASD/XPLOR NIH, UNIO, CYANA, ARIA/CNS и AUDANA/PONDEROSA C/S в платформе интегрального ЯМР, выполняют эту задачу автоматически, используя предварительно обработанные списки позиций и объемов пиков, в сочетании с расчетом структуры. Прямой доступ к исходным данным NOESY, без сложной необходимости итеративного уточнения списков пиков, пока что предоставляется только PASD.

Обмен водородом и дейтерием

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) специфичен для конкретных ядер. Таким образом, он способен различать водород и дейтерий. Протоны амидных групп в белке легко обмениваются с растворителем, и если растворитель содержит другой изотоп, обычно дейтерий, эту реакцию можно отслеживать с помощью ЯМР-спектроскопии. Скорость обмена конкретной амидной группы отражает её доступность для растворителя. Следовательно, скорости обмена амидов могут предоставить информацию о том, какие части белка находятся в скрытой среде, участвуют в водородных связях и т.д. Распространенное применение – сравнение обмена в свободной и связанной форме белка. Амидные группы, которые становятся защищенными в комплексе, предположительно находятся в области взаимодействия.

Расчет структуры

Экспериментально определенные ограничения могут быть использованы в качестве входных данных для процесса расчета структуры. Исследователи, используя компьютерные программы, такие как XPLOR NIH, стремятся удовлетворить как можно большее число ограничений, помимо общих свойств белков, таких как длины связей и углы. Алгоритмы преобразуют ограничения и общие свойства белков в энергетические члены, а затем пытаются минимизировать эту энергию. В результате этого процесса получается набор структур, которые, при наличии достаточного количества данных для определения определенной конформации, будут сходиться.

Валидация структуры

Полученный ансамбль структур является "экспериментальной моделью", то есть представлением определенного типа экспериментальных данных. Важно осознавать этот факт, поскольку это означает, что модель может быть как хорошим, так и плохим отражением этих экспериментальных данных. В целом, качество модели будет зависеть как от количества и качества экспериментальных данных, использованных для ее построения, так и от корректной интерпретации этих данных. Необходимо помнить, что каждый эксперимент сопряжен с погрешностями. Случайные ошибки повлияют на воспроизводимость и прецизионность полученных структур. Если ошибки систематические, то пострадает аккуратность модели. Прецизионность указывает на степень воспроизводимости измерения и часто выражается как дисперсия набора измеренных данных в одинаковых условиях. Однако аккуратность показывает, насколько измерение приближается к "истинному" значению. В идеале, модель белка будет тем точнее, чем больше она соответствует реальной молекуле, которую представляет, и тем прецизионнее, чем меньше неопределенность в положении ее атомов. На практике не существует "стандартной молекулы", с которой можно сравнивать модели белков, поэтому аккуратность модели определяется степенью соответствия между моделью и набором экспериментальных данных. Исторически, структуры, определенные методом ЯМР, в целом были менее качественными, чем структуры, определенные рентгеновской дифракцией. Это частично связано с меньшим объемом информации, содержащимся в данных, полученных методом ЯМР. В связи с этим, стало обычной практикой оценивать качество ЯМР-ансамблей путем сравнения их с единственной конформацией, определенной рентгеновской дифракцией, для того же белка. Однако структура, полученная рентгеновской дифракцией, может отсутствовать, и поскольку белки в растворе являются гибкими молекулами, представление белка одной структурой может привести к недооценке внутренней изменчивости положения атомов белка. Набор конформаций, определенных методом ЯМР или рентгеновской кристаллографии, может быть лучшим представлением экспериментальных данных белка, чем единственная конформация. Полезность модели будет определяться, по крайней мере частично, степенью ее аккуратности и прецизионности. Аккуратная модель с относительно низкой прецизионностью может быть полезна для изучения эволюционных взаимосвязей между структурами набора белков, в то время как рациональный дизайн лекарств требует как аккуратных, так и прецизионных моделей. Модель, которая не является аккуратной, независимо от степени ее прецизионности, не будет очень полезной. Поскольку структуры белков являются экспериментальными моделями, которые могут содержать ошибки, крайне важно уметь выявлять эти ошибки. Процесс, направленный на выявление ошибок, известен как валидация. Существует несколько методов валидации структур, некоторые из них статистические, такие как PROCHECK и WHAT IF, другие основаны на физических принципах, как CheShift, или сочетают статистические и физические принципы, как PSVS.

Динамика

Кроме структур, ядерный магнитный резонанс (ЯМР) может предоставить информацию о динамике различных частей белка. Обычно это включает измерение времен релаксации, таких как T1 и T2, для определения параметров порядка, времен корреляции и констант скорости химического обмена. Релаксация в ЯМР является следствием локальных флуктуаций магнитных полей внутри молекулы. Эти локальные флуктуации магнитных полей генерируются молекулярными движениями. Таким образом, измерения времен релаксации могут предоставить информацию о движениях внутри молекулы на атомном уровне. В исследованиях динамики белков методом ЯМР изотоп азота-15 является предпочтительным ядром для изучения, поскольку его времена релаксации относительно просто связать с молекулярными движениями. Однако это требует изотопной метки белка. Времена релаксации T1 и T2 можно измерить с помощью различных типов экспериментов на основе HSQC. Типы движений, которые могут быть обнаружены, происходят в масштабе времени от примерно 10 пикосекунд до примерно 10 наносекунд. Кроме того, можно также изучать более медленные движения, происходящие в масштабе времени от примерно 10 микросекунд до 100 миллисекунд. Однако, поскольку атомы азота в основном находятся в пептидной цепи белка, результаты в основном отражают движения пептидной цепи, которая является наиболее жесткой частью молекулы белка. Таким образом, результаты, полученные при измерениях релаксации азота-15, могут не быть репрезентативными для всего белка. Поэтому недавно были разработаны методы, использующие измерения релаксации углерода-13 и дейтерия, что позволяет систематически изучать движения боковых цепей аминокислот в белках. Особый и сложный случай изучения динамики и гибкости пептидов и белков полной длины представляют собой неупорядоченные структуры. В настоящее время общепринято, что белки могут проявлять более гибкое поведение, известное как расстройство или отсутствие структуры; однако, вместо статической картины, представляющей полностью функциональное состояние белка, возможно описать ансамбль структур. В этой области достигнут значительный прогресс, особенно в отношении новых последовательностей импульсов, технологических усовершенствований и тщательной подготовки исследователей.

Спектроскопия МРТ на крупных белках

Традиционно, спектроскопия ядерного магнитного резонанса была ограничена относительно небольшими белками или белковыми доменами. Это отчасти связано с трудностями разрешения перекрывающихся сигналов в более крупных белках, однако эта проблема была смягчена благодаря введению изотопной метки и многомерных экспериментов. Другая, более серьезная проблема заключается в том, что в больших белках намагниченность расслабляется быстрее, что означает меньшее время для регистрации сигнала. Это, в свою очередь, приводит к уширению и ослаблению сигналов, и в конечном итоге – к их исчезновению. Для замедления релаксации были разработаны два метода: спектроскопия с оптимизированной поперечной релаксацией (TROSY) и дейтерирование белков. С использованием этих методов стало возможным изучать белки в комплексе с 900 кДа шапероном GroES GroEL.

Автоматизация процесса

Определение структуры с помощью ЯМР традиционно являлось длительным процессом, требующим интерактивного анализа данных высококвалифицированным специалистом. Существует значительный интерес к автоматизации этого процесса для повышения производительности определения структуры и обеспечения доступности белкового ЯМР для неспециалистов (см. структурную геномику). Два наиболее трудоемких этапа – это назначение резонансов, специфичных для последовательности (назначение атомов основной цепи и боковых цепей), и задачи назначения NOE. Было опубликовано несколько различных компьютерных программ, предназначенных для автоматизации отдельных частей общего процесса определения структуры ЯМР. Наибольший прогресс достигнут в задаче автоматического назначения NOE. На данный момент только подходы FLYA и UNIO были предложены для выполнения всего процесса определения структуры белка с помощью ЯМР в автоматическом режиме без какого-либо вмешательства человека. Также предпринимались усилия по стандартизации протокола расчета структуры, чтобы ускорить его и сделать более подходящим для автоматизации. Недавно был выпущен пакет программ POKY, являющийся преемником вышеупомянутых программ, и предоставляющий современные инструменты графического интерфейса и функции искусственного интеллекта/машинного обучения.