Исследования Университета Саймона Фрейзера (SFU) проливают свет на одно из самых загадочных свойств коллагена. В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, профессор физики Нэнси Форд и научный сотрудник Алаа Аль-Шаер описывают ключевые молекулярные особенности, которые позволяют этому нестабильному белку поддерживать свою структуру.
Коллаген — основа соединительных тканей
Коллаген составляет примерно 20% белков в нашем организме. Он обеспечивает стабильность соединительных тканей, таких как сухожилия, кости, хрящи и кожа, и формирует каркас, в котором растут и развиваются клетки.
Этот белок долгое время ставил учёных в тупик. Как молекула, которая структурно нестабильна при температуре тела, может играть такую важную роль в поддержании целостности нашего организма?
Понимание этого может стать ключом к изучению того, как мы можем лучше лечить заболевания, связанные с коллагеном, такие как хрупкость костей, синдром Элерса-Данлоса и диабет.
Использование атомно-силовой микроскопии
Отдельные молекулы коллагена слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью обычных световых микроскопов. Поэтому Аль-Шаер использовала метод атомно-силовой микроскопии (AFM), чтобы получить изображения белков коллагена при разных температурах.
Форд объясняет, что этот метод позволяет исследователям «ощупывать» объекты, подобно чтению шрифта Брайля или иглы на пластинке.
Когда коллаген стабилен, он имеет структуру тройной спирали, состоящей из трёх нитей, скрученных вместе, как верёвка или пряжа. При более высоких температурах эти нити раскручиваются в случайные спирали. Аль-Шаер записала сотни изображений, чтобы отследить этот процесс раскручивания и то, как в некоторых случаях белки могли снова складываться вместе при охлаждении.
Роль цистеинов в стабилизации коллагена
Аль-Шаер обнаружила, что аминокислоты, присутствующие в коллагене IV, называемые цистеинами, могут образовывать связи между отдельными нитями, «скрепляя» их вместе. В местах, где есть такие «скрепки», коллаген IV сопротивляется раскручиванию при нагревании и с большей вероятностью восстанавливается при охлаждении. Коллагены без этих связей легче распадаются и не могут снова собираться при охлаждении.
Когда она искала в базах данных последовательностей белков аналогичные цистеины у других видов, Аль-Шаер обнаружила, что эта химическая «скрепка» очень распространена в коллагене IV у других многоклеточных форм жизни, включая некоторые виды, которые впервые появились очень давно.
«Это указывает на то, что цистеины играют важную функциональную роль, — объясняет Форд. — Поскольку если бы они мутировали во что-то другое и выполняли такую же работу, мы бы ожидали увидеть другие аминокислоты на этих позициях».
Перспективы исследований
«Это исследование стало первым случаем, когда мы использовали AFM-визуализацию для изучения стабильности коллагена при разных температурах и картирования путей сворачивания и разворачивания. Мы считаем, что это невероятно перспективно для ответа на будущие вопросы в этой области», — говорит Форд.
Форд отмечает, что многие предыдущие исследования стабильности коллагена проводились на коротких цепочках синтетических пептидов. «Трудно сказать, насколько хорошо уроки, извлечённые из этих исследований коротких пептидов, применимы к эффектам, наблюдаемым в полноразмерных белках коллагена, последовательности которых гораздо сложнее», — говорит она. AFM может помочь проверить или оспорить эти результаты.
Форд отмечает, что многочисленные студенты бакалавриата и магистратуры помогли продвинуть работу её лаборатории над коллагеном, и её команда с нетерпением ждёт дальнейшего развития этих методов для ответа на многие другие вопросы.
«Мы хотели бы изучить мутировавшие или иным образом химически изменённые коллагены, которые связаны с заболеваниями и старением, чтобы лучше понять механизм заболевания», — говорит она.
«И я хочу продолжать работать с замечательными студентами на факультете естественных наук Университета Саймона Фрейзера, чтобы делать эти открытия».
Предоставлено Университетом Саймона Фрейзера.