Почему цинк так важен для правильной работы иммунитета: новое исследование

Иммунная система человека имеет двойственную природу: врожденный и приобретенный иммунитет. Компоненты системы врожденного иммунитета изначально «запрограммированы» на распознавание определенных патогенов, в то время как компоненты приобретенного иммунитета постоянно обучаются обнаружению новых «чужаков», проникающих в организм. Клетки системы врожденного иммунитета узнают так называемые «паттерны патогенности» — фрагменты патогенов — с помощью особых мембранных белков-рецепторов. К таким белкам относятся «toll»-подобные рецепторы.

Когда-то строение этих рецепторов поразило ученых, слово «toll» в их названии в переводе с немецкого означает «восхитительные». Структура «toll»-подобных рецепторов действительно впечатляет. Эти мембранные белки имеют огромные внеклеточные части, которые обеспечивают связывание с компонентами патогена. Внутриклеточные домены таких рецепторов гораздо меньше и невзрачнее, однако именно они обеспечивают передачу сигнала об опасности внутрь клетки и запуск молекулярных каскадов, нацеленных на уничтожение патогена. 

Ученые из МФТИ совместно с коллегами их ИБХ изучали структуру внутриклеточной части «toll»-подобного рецептора 1 человека (TLR1). Исследователи обнаружили странное несоответствие данных, полученных разными методами. Все имевшиеся данные о трехмерной структуре кристаллов TLR1, полученные методом рентгеноструктурного анализа, указывали на наличие химической связи между двумя аминокислотами-цистеинами во внутриклеточном домене, так называемого дисульфидного мостика. Однако анализ трехмерной структуры TLR1 в растворе методом ядерного магнитного резонанса, напротив, показал наличие подвижной, неупорядочненной структуры исследуемой области. Исследование опубликовано в научном журнале Communications Biology. 

«Такое несоответствие натолкнуло нас на мысль, что два цистеина могут быть расположены рядом не из-за того, что они формируют дисульфидный мостик, а потому, что они, связывают, или, как говорят химики, "координируют" ион металла, а именно цинка», — объясняет Константин Минеев, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник ИБХ РАН.

Для того, чтобы проверить эту гипотезу, ученые изучили способность внутриклеточной части TLR1 связывать цинк в растворе. TLR1 оказался способен прочно связывать цинк из окружающего раствора. Для точного определения участка связывания цинка в TLR1 исследователи применили метод точечного мутагенеза, получив мутанты TLR1, в которых один из нескольких цистеинов был заменен другой аминокислотой. Замена тех самых цистеинов, которые образовывали дисульфидный мостик в кристаллических структурах, приводила к потере способности TLR1 связывать цинк и «выключению» рецептора.  

«Сопоставив данные, полученные различными методами, мы пришли к выводу, что дисульфидный мостик — неизбежный артефакт процесса формирования кристаллов для данного белка. На самом деле, когда белок находится в клетке в водном окружении, эти два цистеина образуют участок связывания цинка, причем этот участок критически важен для функционирования белка», — рассказывает Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследования молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.  

Результаты экспериментов были уточнены и дополнительно подтверждены методом компьютерного моделирования. Вычислительные эксперименты позволили прояснить детали того, как TLR1 взаимодействует с цинком и какие изменения в молекуле рецептора при этом происходят.  Важность связывания цинка для функционирования TLR1 также подтвердилась в экспериментах на линиях клеток человека. 

Обнаруженная коллективом ученых из МФТИ, ИБХ и Чанчуньского института прикладной химии способность «toll»-подобного рецептора TLR1 человека связывать ионы цинка, подтвержденная структурными данными и результатами молекулярного моделирования, — это важное фундаментальное открытие. Полученный результат является основой для дальнейших исследований механизмов работы «toll»-подобных рецепторов. В то же время результаты исследований «toll»-подобных рецепторов имеют существенное значение для медицины. Понимание механизмов работы рецепторов врожденного иммунитета позволит создать новые лекарственные препараты, а также понять механизмы нарушения врожденного иммунитета при заболеваниях. 

Материал предоставлен пресс-службой МФТИ