Исследования зрительного каскада в атомном разрешении

 


Фосфодиэстераза 6 (PDE6) – одна из изоформ ферментов класса фосфодиэстераз, участвующая в передаче зрительного сигнала. Фермент PDE6, присутствущий исключительно в колбочках (клетках сетчатки глаза, ответственных за цветное зрение, резкость воспринимаемого изображения и адаптации к яркости освещения) оставался долгое время недостаточно хорошо изученным, в то время как ферментативные особенности его аналога, фосфодиэстеразы из палочек (воспринимающих черно-белое изображение и движущиеся объекты) хорошо известны исследователям.

Участок молекулы фермента PDE, представляющий наибольший интерес для ученых – это так называемый домен GAF A, связывающий сигнальную молекулу циклического гуанозинмонофосфата (cGMP) и аллостерически регулирующий активность фермента.

«Этот домен чрезвычайно селективно связывает сигнальную молекулу, – рассказывает автор работы Клеменс Хейкауз (Clemens Heikaus). – Из сделанной структуры нам становится ясно, почему этот участок предпочитает связывать именно cGMP».После связывания молекула фермента очень быстро реагирует на появление сигнала и немедленно передает эту информацию дальше по каскаду в мозг.

С помощью методов рентгеноструктурной кристаллографии и ЯМР ученым удалось открыть сложные конформационные изменения, которые претерпевает молекула PDE при связывании с сигнальной молекулой cGMP.

В свободном состоянии GAF-домен напоминает вытянутую пальму с покачивающимися листьями. В момент связывания cGMP домен закрывается и становится гораздо менее подвижным.

Дальнейший анализ конформационных превращений поможет раскрыть детали механизмов передачи сигнала от фосфодиэстеразы к следующим участникам зрительного каскада, а также обеспечить понимание общего механизма действия GAF-доменов, встречающихся в других белках.

«Добавление одной маленькой молекулы к GAF-домену влияет на конформацию всего фермента PDE», – комментирует Хейкауз. Исследователи считают, что связывание в этом домене может служить «переключателем» всей активности фермента.

Результаты своих исследований ученые опубликовали в Journal of Biological Chemistry, и их работа была названа лучшей публикацией недели, а обложку журнала украсило замечательное изображение радужной оболочки Клеменса Хейкауза, сфотографированное специалистом в офтальмологии Брэдом Клифтоном (Brad Clifton) с наложенным на него трехмерным изображением GAF-домена.

В человеческом организме GAF-домен встречается нечасто, а в клетках растений и бактерий – это распространенный структурный фрагмент, способный связывать различные типы сигнальных молекул. Некоторые из таких GAF-доменов участвуют в фотодетекции, но это происходит с участием механизмов, принципиально отличных от зрительных механизмов позвоночных животных.

GAF-домены появились более трех миллионов лет назад, они были представлены уже в ранних формах жизни и сохранили особенности своей структуры в животных и человеке. Это пример явления, называемого эволюционными биологами консервативностью структуры. GAF-домен человека имеет такую же форму укладки белковой цепи и «карман» для связывания сигнальной молекулы, как и GAF-домены примитивных организмов.

В человеческом организме есть всего несколько типов GAF-доменов, некоторые из которых входят в состав ферментов семейства фосфодиэстераз. Они выполняют важнейшие функции в сердце, легких, кровеносных сосудах. PDE5, например – фермент, очень близкий по структуре к зрительной фосфодиэстеразе PDE6, однако выполняет другую функцию. PDE5 является мишенью для лекарства силденафил, более известного как Виагра. У некоторых мужчин это вещество ингибирует родственную по структуре PDE6 фосфодиэстеразу, что приводит к временным нарушениям цветовосприятия.

Глубокие исследования базовых механизмов действия фосфодиэстераз и их участия в зрении послужат основой для создания лекарств и устранения патологий сетчатки, таких как куриная слепота или пигментный ретинит.


Источник: NanoNewsNet