Розщеплення протеасомами білків у нейроні. Протеасоми (пофарбовані в сірий) нейронів оснащені регуляторними частинками. Ці структури змінюють свою форму залежно від того, чи пов'язані вони з білком (пофарбовані червоним), який повинен бути зруйнований (позначений зеленим) чи ні (синім відзначена неактивна регуляторна частинка).
Нейродегенеративні захворювання - хвороба Альцгеймера, Гантінгтона або хвороба Паркінсона - супроводжуються руйнуванням і агрегацією білків, які, накопичуючись у мозку, порушують нормальну роботу нервових клітин і зрештою вбивають їх. У здорових же клітинах діє ферментні комплекси - протеасоми, які пов'язують і «утилізують» непотрібні і дефектні білки. Дослідницька група Вольфганга Баумайстера (Wolfgang Baumeister) з Інституту біохімії імені Макса Планка (Німеччина) стала піонером у спостереженні і описі структури протеасом, що працюють всередині здорових клітин мозку.
«Коли ми побачили протеасоми на наших екранах, ми відразу зрозуміли, наскільки це важливий результат», - згадує Шох Асано (Shoh Asano), перший автор дослідження.
Вчені підрахували, що наш мозок складається з десяти - ста мільярдів нервових клітин. Для того щоб виконувати покладені на них завдання якомога довше, клітини повинні постійно контролювати свої внутрішні білки, оцінюючи їх якість і потрібність. В іншому випадку білки можуть згрупуватися і паралізувати або навіть вбити клітку. Після того, як клітина розпізнає дефектний білок, він піддається деградації: своєрідний молекулярний «шредер», протеасома, рубає його на шматки - короткі пептиди і окремі амінокислоти.
Вперше дослідники домоглися успіху у візуалізації цього процесу в цілих, непрепарованих нервових клітинах. Була використана електронна кріо-томографія: клітини були охолоджені до мінус 170 ° C за долі секунди. Далі клітини зазнали томографічного сканування з різних ракурсів, що дозволило створити тривимірне зображення.
Використання технічних інновацій дозволило німецьким вченим домогтися безпрецедентної якості зображення, в структурі клітини стало можливим розрізнити окремі протеасоми.
«Вперше можна якісно і кількісно описати цей важливий комплекс ферментів у недоторканих клітинах» - говорить Асано.
У наступних експериментах вчені зосередилися на вивченні активності протеасом. Для інтерпретації результатів спостереження важливо знати, що існують подібні ковпачку структури, так звані регуляторні частинки, закріплені на кінцях протеасом (див. малюнок). Саме вони пов'язують білок, призначений до розщеплення. Вчені тепер можуть розрізняти активні і неактивні протеасоми.
Дослідники дійшли висновку, що в стані спокою в нервових клітинах активно меншість протеасом. Результати показали, що тільки кожна четверта протеасома активно розщеплювала білок, а решта в цей час не діяли. У майбутньому вчені хочуть розглянути структурні зміни в клітинах в умовах клітинного стресу, характерного для нейродегенеративних захворювань.
«Це дослідження відкриває нові можливості у вивченні білкових комплексів в їх сукупності в клітці та їх взаємних функціональних залежностей» - підсумовує Вольфганг Баумайстер.