Биологи объяснили «всеядность» уникального каротиноид-связывающего белка

Каротиноиды — мощные антиоксиданты, помогающие клеткам бороться с окислительным стрессом. Высокое содержание каротиноидов в диете человека позволяет уменьшить риски нейродегенеративных расстройств, различных видов рака, сердечно-сосудистых и офтальмологических заболеваний. Так как окислительный стресс либо является причиной, либо сопровождает эти болезни, то, если использовать каротиноиды в качестве антиоксидантов, возможно предупредить, затормозить или остановить их развитие. Однако крайне низкая растворимость молекул каротиноидов является одним из препятствий для их применения в терапевтических целях. В качестве решения этой проблемы могут подойти природные солюбилизаторы — каротиноид-связывающие белки, например представители группы AstaP.

«Ядро» этих белков составляет домен FAS1, ранее описанный только для белков клеточной адгезии. AstaPo1 стал первым белком, у которого для домена обнаружена новая функция — связывание каротиноидов. Кроме того, в отличие от других известных белков группы, AstaPo1 гораздо более универсален: он может образовывать комплекс с различными соединениями — астаксантином, кантаксантином, лютеином, зеаксантином и β-каротином. В своей новой работе российские исследователи решили выяснить, с чем связана его столь малая избирательность.

Структура комплекса AstaPo1 с молекулой астаксантина была определена при помощи ЯМР-спектроскопии. Примечательно, что метод ранее никогда не использовался для изучения белков в комплексах с каротиноидами. Оказалось, что AstaPo1 связывает астаксантин в гидрофобном туннеле, при этом длины последнего не хватает, чтобы поместить туда всю молекулу. В результате концевые «кольца» астаксантина находятся в водном окружении, а внутрь белка попадает только его «жирная» цепочка. Таким образом, взаимодействие между лигандом и AstaPo1 получается неспецифическим. Это объясняет широкий набор каротиноидов, которые связывает AstaPo1.

Трехмерную структуру AstaPo1 использовали для поиска характеристик, которые позволяют доменам FAS1 связывать молекулы каротиноидов. C этой целью был проведен биоинформатический анализ, сделаны точечные мутации и измерена активность разных вариантов белка. Оказалось, что замены аминокислот в гидрофобном туннеле не мешают связыванию каротиноидов, поэтому, вероятно, секрет этой функции доменов FAS1 скрыт не в свойствах туннеля, а в том, каким образом происходит захват молекул из мембран клеток. Для анализа механизмов захвата были изготовлены укороченные версии белка, в которых удаляли неупорядоченные фрагменты — те, как выяснилось, также не влияют на образование комплекса белка с каротиноидами. С одной стороны, это позволило значительно уменьшить минимальный размер активного белка. С другой стороны, причины, по которым белки схожей с AstaPo1 структуры не в состоянии связывать и переносить каротиноиды, так и остались загадкой.

Тем не менее, в результате анализа трехмерной структуры и подвижности белка без астаксантина и в комплексе с ним, удалось предложить механизм, по которому AstaPo1 может связывать каротиноиды из мембраны клеток. В процессе предположительно участвует область молекулы, своего рода «челюсть», состоящая из двух спиральных участков. Она может отсоединяться от остальной молекулы белка и, по-видимому, в состоянии погрузиться в мембрану и связать длинную цепочку каротиноида.