Биологи установили природу многофункциональности белка ВИЧ

Жизнедеятельность вирусов невозможна вне клеток живых организмов, что накладывает ограничения на размер их частиц, геномов и, соответственно, белков. Это приводит к тому, что отдельные участки белков – домены – выполняют сразу несколько разнообразных функций. 

«Такой эргономичный и минималистичный дизайн, когда один домен совмещает сразу несколько функций, на самом деле намного сложнее реализовать, чем сделать несколько доменов с разными функциями. Кроме того, возникает вопрос о том, как такие многофункциональные участки могли возникнуть в ходе эволюции, – отмечает автор исследования, заведующий лабораторией ультраструктуры клеточного ядра НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ, профессор биологического факультета МГУ Евгений Шеваль. – Эту проблему мы решили изучить на примере основного домена Tat белка вируса иммунодефицита человека».

Основной домен Tat белка длиной в 9 аминокислот участвует в реализации трех разных функций. Первая, наиболее важная для вируса, заключается в регуляции синтеза  вирусных РНК – без фрагмента получаются короткие фрагменты, с которых нельзя синтезировать нормальные белки и собирать вирусные частицы. Вторая функция – сигнал ядерной локализации и третья, похожая, – сигнал ядрышковой локализации. Если смысл второй функции понятен – именно в ядре Tat белок исполняет свою главную задачу, – то смысл третьей на настоящее время не выяснен.

Были сведения относительно сигнала ядерной локализации: Tat белок способен связываться своим основным доменом со специальными клеточными белками, импортинами, которые постоянно мигрируют из ядра в цитоплазму и обратно, перенося на себе другие молекулы. Интересно, что длина основного домена Tat белка вдвое больше таковой у других известных сигналов ядерной локализации: 9 аминокислот против обычных 4. С импортинами у основного домена связывается действительно лишь 4 аминокислоты, и австралийские учёные в 2017 году определили ту самую последовательность, которая участвует в этом взаимодействии. Однако учёные МГУ попробовали последовательно заменить эти 9 аминокислот на другие. Результат был противоречащий австралийскому: аминокислоты из разных частей основного домена влияли на накопление Tat белка в ядре.

«Для разрешения этого противоречия Артур Залевский из Института биоорганической химии РАН предложил использовать методы вычислительной биологии. Проведенные им расчеты показали, что с импортином могут взаимодействовать самые разные участки основного домена, то есть любой участок имеет возможность связаться с рецептором, – поясняет Евгений Шеваль. – После этого удалось обнаружить признаки такого множественного связывания в опубликованной структуре комплекса импортина с основным доменом. Вероятно, накопление белка в ядре определяется множественными связываниями основного домена с импортинами. По-видимому, не все из таких положений могут быть одинаково эффективны, но в сумме они помогают накапливать белок внутри ядра. Это позволило предположить, что для эволюции белка важно было присутствие домена, который будет взаимодействовать с отрицательно заряженной РНК, и это привело к появлению фрагмента, обогащенного положительно заряженными аминокислотами».

По результатам исследования, аналогичная ситуация могла произойти и с возникновением третьей функции Tat белка – сигналом ядрышковой локализации. Учёные МГУ выяснили, что его перемещение в ядрышко обусловлено электростатическим взаимодействием аминокислот основного домена с компонентами ядрышка.

«Таким образом, можно предположить, что в ходе эволюции возник крайне специализированный белковый домен, роль которого состоит в активации синтеза вирусной РНК. Но из-за обогащенности положительно заряженными аминокислотами этот домен неизбежно начал выполнять и еще две функции: накопления белка в ядре и ядрышке. Причем первая вирусу оказалась выгодной, а вот полезна ли вторая — остается загадкой. Как бы то ни было, интеграция нескольких функций могла помогать вирусу приобретать новые функции без увеличения размера белков, а значит, и размера вирусных частиц», – подытоживает Евгений Шеваль.

В исследовании принимали участие студенты, аспиранты и сотрудники нескольких подразделений МГУ имени М.В. Ломоносова – Института физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, биологического факультета и факультета биоинженерии и биоинформатики, – а также сотрудники Института биоорганической химии РАН, Института Густава Русси (Institut Gustave Roussy, Франция) и Европейской молекулярно-биологической лаборатории (European Molecular Biology Laboratory, Германия).