Перш ніж бути знищеним, білок проходить складну багаторівневу систему перевірки - клітина перестраховується, щоб випадково не знищити все ще потрібну, правильно працюючу молекулу.
У будь-якій клітині можна знайти дефектні білкові молекули: по-перше, можуть помилятися самі рибосоми, синтезуючі білки на матриці РНК, по-друге, білки з часом старіють, амінокислоти, з яких вони складаються, набувають небажаних модифікацій, які роблять весь білок марним, а в гіршому випадку - просто небезпечним. Багато хвороб, у тому числі і нейродегенеративні (до яких належать синдроми Альцгеймера, Паркінсона тощо), виникають якраз через накопичення неправильних, дефектних, поламаних білкових молекул.
Але у клітин насправді є спеціальна система, яка повинна все таке сміття ліквідувати. Система включає в себе досить багато молекулярних гравців, і в якості найбільш відомого можна назвати протеасому - великий білковий комплекс, який руйнує інші білки (тобто працює як фермент протеазу). Протеасома за структурою схожа на бочонок з кришкою: кришка відкривається, поліпептидний ланцюг проникає в бочонок і розщеплюється в ньому до коротких фрагментів довжиною всього в кілька амінокислот.
Є й інші механізми утилізації непотрібних білкових молекул, однак вважається, що деградація 80-90% внутрішньоклітинних білків відбувається саме за рахунок протеасоми. Причому вона руйнує не тільки дефектні білки. Часом клітці потрібно вимкнути якийсь процес, або, наприклад, перейти з однієї фази життєвого циклу в іншу - скажімо, запустити власний поділ. І тоді протеасома усуває ті молекули, які цьому заважають (їх можна назвати функціональним сміттям: вони вже не потрібні і лише гальмують розвиток). Виходить, що вона не тільки виконує функцію смітника, а й відіграє роль важливого регулятора клітинних процесів. Однак тут виникає важливе питання: як протеасомний комплекс дізнається те, що потрібно «переварити»? Відповідь на нього начебто є: вже досить давно відомо, що білки, призначені для утилізації, постачаються спеціальною міткою у вигляді невеликого білка убіквітину. У клітці досить багато ферментів, званих убіквітін-лігазами, які пришивають убіквітинову «чорну мітку» до білкових молекул. Один з них називається APC (anaphase-promoting complex), і від нього якраз залежить нормальний хід клітинного циклу: APC навішує убіквітин на білки, які не дозволяють клітці розділитися.
Однак згодом стало ясно, що убіквітинова мітка для утилізації білка недостатня, хоча й необхідна. У клітці можна знайти цілком здорові, функціональні білки, які працюють якраз тоді, коли потрібно, і у яких при тому є убіквітин. Як виявилося, «чорна мітка» може бути потрібна деяким молекулам для якихось інших цілей (наприклад, від неї залежить внутрішньоклітинна «прописка» білкової молекули), і процес приєднання і від'єднання її йде постійно. Іншими словами, повинен бути ще якийсь параметр, за яким фермент- «смітник» повинен дізнаватися, що слід переробити.
Цією проблемою довгий час займалася група Марка Кіршнера (Marc Kirschner) з Гарвардського університету. Відомо, що убіквітинова добавка може складатися як з однієї молекули убіквітину, так і з декількох - тобто, якщо продовжити метафору з «чорною міткою», білок може отримати як одну мітку, так і відразу кілька. Від того, в якому вигляді білок її отримав, залежить його доля: зазвичай сигналом до розщеплення в протеасомі служать саме кілька убіквітинів. У статті, опублікованій в Science, Марк Кіршнер і його колеги описують, як відбувається мрія білка комплексом APC - тим самим, який регулює клітинний поділ.
Дослідники зуміли побачити роботу одного-єдиного екземпляра молекулярного комплексу - за допомогою мітки, що світиться, за допомогою білків, яких потрібно було позначити, і за допомогою особливого методу мікроскопування. Виявилося, що APC може багато разів повертатися до однієї і тієї ж молекули. Коли він ставить мітку в перший раз, то одночасно оцінює своє споріднення до позначеного білка - те, наскільки міцно, наскільки сильно він з ним взаємодіє. Таких «пристрілювальних» «візитів» потрібно не більше двох, після чого комплекс APC як би розуміє, чи варто далі працювати з конкретною молекулою чи ні. Если нет, то белок-мишень останется с меткой из одного-двух убиквитинов, если же сродство убиквитин-лигазного комплекса к какой-то мишени велико, то он придет к ней еще несколько раз, и метка прирастет еще на несколько убиквитинов.
При цьому маленькі убіквітинові молекули можуть бути приєднані до різних ділянок великої мішені. В результаті роботи комплексу APC в клітці з'являється набір білків, розфарбованих найрізноманітнішими способами: у когось убіквітин всього один, у когось - ланцюжок з двох убіквітинів, у когось - цілих три мітки, але в різних місцях молекули, і т. д. І ось тут у справу вступає власне протеасома, яка повинна вирішити, кого їй потрібно розщепити.
Як було сказано вище, «топка» протеасомного комплексу прикрита своєрідною кришкою, і, щоб сторонній білок зміг проникнути туди, він повинен її відкрити. Тут успіх супроводжує тих молекулів, у яких найбільше убіквітинів (як ми згадували вище, саме багато позначені білки якраз з більшою ймовірністю розщеплюються молекулярним «смітником»). Але мало відкрити двері, потрібно ще пройти всередину.
У другій статті, опублікованій в тому ж Science, автори описують зміни в самій протеасомі, що відбуваються при взаємодії з потенційним «сміттям». Відомо, що у будь-якого білка і білкового комплексу є власна просторова форма, яка, однак, не закріплена абсолютно жорстко, а може постійно змінюватися завдяки рухливості хімічних зв'язків. З боку може здатися, ніби молекула «дихає», але неритмічно, нерегулярно, і різними своїми частинами - по-різному. І протеасома, коли з нею зв'язується черговий білок, починає рухатися, намагаючись встановити більш зручні контакти з «гостем». Іншими словами, вона наче відчупує убіквітінільований білок, намагаючись пропустити його в каталітичний центр - туди, де він буде порізаний на короткі поліпептидні фрагменти. Відео з тривимірними моделями протеасоми і білка, що підлягає утилізації, можна подивитися тут.
Отже, білку мало мати багато міток-убіквітінів - потрібно, щоб і він сам, і його мітки зуміли натиснути на секретні місця в протеасомному комплексі, щоб той пропустив їх всередину. Тут знову ж таки слід обмовитися, що мається на увазі не одноразова взаємодія, а постійна підгонка один до одного рухливих («дихаючих») молекул (у разі протеасоми - цілого комплексу молекул). Завдяки такій додатковій властивості комплекс- «смітник» може робити відбір між білками, які дійсно треба утилізувати, і білками, у яких убіквітинова мітка служить якимось іншим цілям. Інший фільтр - метильний комплекс APC, який постачає білки різною кількістю убіквітинів, і у них залежно від цього з'являється або не з'являється здатність провзаимодействовать з протеазою.
Варто сказати, що APC - не єдиний, хто займається пришиванням убіквітінів до білків, та й самі протеасоми у різних організмів можуть відрізнятися. Однак серед біомолекул розпізнавання один одного за взаємними конформаційними змінами - річ більш ніж звичайна, так що, можливо, інші ферменти убіквітін-лігази точно також оцінюють молекули-мішені за їх схожістю до них. Можна з усією впевненістю сказати, що авторам роботи вдалося просунутися ще на один крок у розумінні одного з фундаментальних процесів, який має місце в будь-якій живій клітці. Але в отриманих даних є й очевидна практична перспектива: якби ми знали, як клітина прибирає всередині себе білкове сміття, ми могли б розпрощатися з безліччю захворювань, пов'язаних саме з поганою роботою клітинного сміттєзбирального апарату.