Механизмы кристаллизации мембранных белков в бицеллах

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 11109 (2022) Цитировать эту статью

1518 Доступов

7 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Несмотря на значительный прогресс, главным образом благодаря развитию LCP и кристаллизации «бицелл», недостаток структурной информации остается узким местом в исследованиях мембранных белков (MP). Основная причина — отсутствие полного понимания механизма кристаллизации. Здесь мы представляем исследования малоуглового рассеяния эволюции кристаллизационной матрицы «бицеллы» в процессе роста кристаллов МП. Первоначально матрица соответствует жидкоподобному состоянию бицелл. Однако после добавления осадителя кристаллизационная матрица переходит в желеобразное состояние. Данные показывают, что эта финальная фаза состоит из взаимосвязанных ленточных бислоев, в которых растут кристаллы. Появляется небольшое количество мультиламеллярной фазы, объем которой увеличивается одновременно с объемом растущих кристаллов. Мы предполагаем, что ламеллярная фаза окружает кристаллы и имеет решающее значение для роста кристаллов, что также характерно для кристаллизации ЖКП. Исследование раскрывает механизмы кристаллизации МП «бицелл» и поддержит рациональный дизайн кристаллизации.

Мембранные белки (МП) играют важную роль в процессах живых клеток, таких как транспорт ионов через мембрану, преобразование энергии и передача сигналов1,2. Треть генома человека кодирует мембранные белки. Из-за своей значительной роли в физиологии человека мембранные белки являются мишенью около 60% используемых в настоящее время лекарств3,4. На сегодняшний день наиболее широко используемым методом получения белковых структур высокого разрешения является рентгеновская кристаллография, для которой необходимы кристаллы белка высокого качества. Однако кристаллизация мембранных белков остается серьезной проблемой. Уникальные структуры мембранных белков5 составляют лишь ~1% от всех доступных уникальных белковых структур высокого разрешения6. Одним из мезометодов является кристаллизация в бицеллярной смеси7,8,9,10,11. Тем не менее, этот метод приводит к выяснению нескольких важных МП, механизм которых до сих пор неясен и основан только на исчерпывающих методах проб и ошибок. Термин «кристаллизация из бицелл» может относиться только к исходному состоянию матрицы, а эволюция состояния бицелл к матрице, способной поддерживать рост кристаллов, не выяснена.

Значительные усилия были предприняты для разработки новых методов, материалов и инструментов, которые могли бы помочь преодолеть эти камни преткновения. Однако, несмотря на предыдущие попытки, скорость осаждения мембранных белковых структур (первая мембранная белковая структура была депонирована в 1985 г.) все еще далека от достигнутых для растворимых белков.

Чтобы преодолеть эту проблему, в 1996 году был представлен новый метод, а именно, кристаллизация MP в матрице липидной кубической фазы (LCP)12. Этот подход позволил кристаллизовать сложные MP (например, родопсины 13,14,15 и рецепторы, связанные с G-белком). которые десятилетиями сопротивлялись кристаллизации стандартными методами диффузии пара16,17,18.

Подход мезокристаллизации получил дальнейшее развитие и был расширен за счет других методов и инструментов, например, использование липидов с различными свойствами для создания матрицы LCP19, кристаллизация из нанодисков на основе MSP20 или связанных с полимером21,22 и кристаллизация из бицелл7,9. ,10.

Ранее бицеллы были представлены как модель, имитирующая мембрану, потенциально превосходящую мицеллы23. Показано, что некоторые смеси липидов и детергентов образуют частицы дискообразной формы с липидным бислоем, ядром и стабилизированным детергентом ободом, создавая стабилизирующую среду для МП, имитируя нативные клеточные мембраны. Димиристоилфосфатидилхолин (DMPC) часто используется в качестве длинноцепочечного фосфолипидного компонента бицелл, и его можно допировать фосфолипидами с одинаковой длиной цепи, но с разными головными группами. С другой стороны, обод можно стабилизировать с помощью короткоцепочечного производного соли желчных кислот, такого как 3-(холамидопропил)диметиламмонио-2-гидрокси-1-пропансульфонат (CHAPSO). Поскольку длинноцепочечный фосфолипид в бицеллах изолируется в плоской сердцевинной области, которая лишена короткоцепочечного фосфолипида или детергента, сердцевинная область бицеллы имитирует участок естественной мембраны гораздо лучше, чем обычные детергентные мицеллы. Размер и свойства этих липидных частиц можно варьировать в зависимости от соотношения липида с длинной цепью к детергенту или липида с короткой цепью (Q-отношение) и концентрации липида. Изменение Q обеспечивает множество схожих фаз бицелл, которые поддаются различным типам биологических исследований. В целом при высоком липидном соотношении (Q > 2) и широком диапазоне концентраций (Clp = 0,25–25% (мас./мас.)) образуются бицеллы диаметром примерно 100–500 Å24,25,26,27 ,28,29,30,31,32,33. Уменьшение Q приводит к уменьшению бицелл24,34,35,36.