Нейродегенеративные заболевания — болезнь Альцгеймера, Хантингтона или болезнь Паркинсона — сопровождаются разрушением и агрегацией белков, которые, накапливаясь в мозге, нарушают нормальную работу нервных клеток и в конечном итоге убивают их. В здоровых же клетках действует ферментные комплексы — протеасомы, которые связывают и «утилизируют» ненужные и дефектные белки. Исследовательская группа Вольфганга Баумайстера (Wolfgang Baumeister) из Института биохимии имени Макса Планка (Германия) стала пионером в наблюдении и описании структуры протеасом, работающих внутри здоровых клеток мозга.
«Когда мы увидели протеасомы на наших экранах, мы сразу поняли, насколько это важный результат», — вспоминает Шох Асано (Shoh Asano), первый автор исследования.
Учёные подсчитали, что наш мозг состоит из десяти — ста миллиардов нервных клеток. Для того чтобы выполнять возложенные на них задачи как можно дольше, клетки должны постоянно контролировать свои внутренние белки, оценивая их качество и нужность. В противном случае белки могут сгруппироваться и парализовать или даже убить клетку. После того, как клетка распознает дефектный белок, он подвергается деградации: своеобразный молекулярной «шредер», протеасома, рубит его на куски — короткие пептиды и отдельные аминокислоты.
Впервые исследователи добились успеха в визуализации этого процесса в целых, непрепарированных нервных клетках. Была использована электронная крио-томография: клетки были охлаждены до минус 170°C за доли секунды. Далее клетки подверглись томографическому сканированию с различных ракурсов, что позволило создать трёхмерное изображение.
Использование технических инноваций позволило германским учёным добиться беспрецедентного качества изображения, в структуре клетки стало возможным различить отдельные протеасомы.
«Впервые можно качественно и количественно описать этот важный комплекс ферментов в нетронутых клетках» — говорит Асано.
В следующих экспериментах учёные сосредоточились на изучении активности протеасом. Для интерпретации результатов наблюдения важно знать, что существуют подобные колпачку структуры, так называемые регуляторные частицы, закреплённые на концах протеасом (см. рисунок). Именно они связывают белок, предназначенный к расщеплению. Учёные теперь могут различать активные и неактивные протеасомы.
Исследователи пришли к выводу, что в состоянии покоя в нервных клетках активно меньшинство протеасом. Результаты показали, что только каждая четвёртая протеасома активно расщепляла белок, а остальные в это время бездействовали. В будущем учёные хотят рассмотреть структурные изменения в клетках в условиях клеточного стресса, характерного для нейродегенеративных заболеваний.
«Это исследование открывает новые возможности в изучении белковых комплексов в их совокупности в клетке и их взаимных функциональных зависимостей» — заключает Вольфганг Баумайстер.
