Молекулярные «скрепки» решают загадку того, как коллаген удерживается вместе

Фото из открытых источников

Мы удерживаемся вместе благодаря коллагену. Структурированная как скрученная веревка, эта волокнистая макромолекула составляет от 15% до 20% белка в наших телах и играет важную роль в механической поддержке наших клеток и тканей. Но, что удивительно, коллаген по своей природе нестабилен при температуре тела. Теперь результаты, недавно подробно описанные на Глобальном саммите Американского физического общества (APS), наконец-то раскрывают, как коллаген сохраняет свою форму: кластеры молекулярных «скоб», образованных серосодержащими аминокислотами.

Определение этой ключевой причины, по которой коллаген держится вместе, знаменует собой «важный шаг к пониманию биологической загадки» белка, говорит Цзин Сюй, биофизик из Калифорнийского университета в Мерседе, который не принимал участия в исследовании. Это открытие также может предложить новые инструменты для биоинженерии и регенеративной медицины.

Коллаген — это нитевидный белок, состоящий из трех переплетенных цепочек аминокислот, скрученных в тройную спиральную структуру. Волокна, состоящие из этих спиралей, затем собираются в сети, которые, в свою очередь, образуют прочные каркасы, удерживающие клетки на месте, — и при этом оставаясь достаточно пластичными, чтобы реагировать на изменения окружающей среды. Фактически, эта пластичность помогает коллагеновым нитям передавать информацию, которая регулирует поведение клеток, позволяя фиброзной сети преобразовывать механические стимулы в биохимические сигналы.

Загадка в том, что в то время как большинство белков сохраняют свою сложенную форму значительно выше температуры тела, коллаген — сложенный и скрученный в свою тройную спиральную форму — не сохраняет. В 2002 году исследователи показали, что у людей точка разворачивания или «плавления» коллагена колеблется чуть ниже 37°C, нашей средней температуры тела. Как ни странно, то же самое справедливо для огромного количества других организмов с разной температурой тела: точка плавления коллагена масштабируется с температурой животного, при этом коллаген рыб разворачивается при гораздо более низких температурах, чем человеческий коллаген.

«Каким-то образом клетки вырабатывают свернутый коллаген при температуре тела, поэтому возникает вопрос, как долго он сохраняется» в организме, говорит Нэнси Форд, биофизик из Университета Саймона Фрейзера, которая представила свой анализ коллагена на встрече Американского физико-технического общества 18 марта, подробно описывая препринт, загруженный на bioRxiv в октябре 2024 года, в котором она является старшим автором.

Если бы тканевые инженеры могли имитировать способность биологии строить стабильные структуры из изначально нестабильных строительных блоков, у них были бы более прочные материалы для искусственных каркасов для выращивания тканей и органов или других целей. Понимание стабильности коллагена также могло бы помочь врачам лучше понять заболевания соединительной ткани, которые зависят от этого белка, включая несовершенный остеогенез и синдром Элерса-Данлоса. «Несмотря на то, что коллаген является ключевым внеклеточным белком, основные детали его термической нестабильности и механических свойств остаются неясными», — говорит Аллен Эрлихер, биоинженер из Университета Макгилла.

В предыдущих исследованиях изучались аминокислоты, составляющие длинную и сложную последовательность коллагеновых волокон, но эти исследования не смогли раскрыть, как сворачивается и разворачивается лежащая в основе тройная спираль белка, из-за сложности наблюдения таких мелкомасштабных процессов в такой объемной структуре. Более того, исследователи не могли узнать больше, многократно раскручивая и раскручивая коллаген, поскольку его раскручивание занимает часы, что является мучительно долгим временем в экспериментальных условиях.

Чтобы выяснить, как коллаген получает свою скрутку, Форд и Алаа Аль-Шаер, тогда аспирант в лаборатории Форда, использовали метод, называемый атомно-силовой микроскопией, чтобы визуализировать на атомном уровне сотни тройных спиралей коллагена, когда структуры распадались при разных температурах. Аль-Шаер и Форд обнаружили, что в течение 1 часа коллаген постепенно терял свою структуру при 37 o C, укорачиваясь по мере того, как он разрушался в бесструктурный сгусток. А последующие изображения также позволили исследователям проследить, какие именно части коллагенового белка помогали более крупным нитям постепенно удлиняться и скручиваться вместе, когда молекулам позволяли остыть.

Секрет, как оказалось, кроется в нескольких богатых серой сегментах структуры коллагена. Когда Аль-Шаер и Форд внимательно изучили коллаген IV — форму белка, который образует сети в различных тканях, — они обнаружили, что кластеры дисульфидных связей действуют как структурные скобы, удерживая пары коллагеновых нитей вместе и продлевая срок службы скрученных структур. Эти связи, известные как «цистеиновые узлы», поскольку они включают в себя серосодержащую аминокислоту с тем же названием, запускают процесс повторного сворачивания коллагена в его тройную спираль.

Последующие эксперименты показали, что химически измененная версия коллагена, лишенная цистеиновых узлов, раскручивалась быстрее и вообще не могла сворачиваться. Аль-Шаер также обнаружил, что цистеиновый узел изобилует в коллагенах многоклеточной жизни: инструкции для необходимых аминокислотных последовательностей можно найти в генах коллагена медуз, червей, морских звезд и млекопитающих. Эволюционная консервация узла и, очевидно, его древнее происхождение намекают на его важность «в скреплении цепей и придании белку его термической устойчивости», говорит Форд.

Открытие также намекает на то, как нарушения тройной спиральной структуры коллагена препятствуют рефолдингу в целом. При многих заболеваниях соединительной ткани мутации, которые заменяют ошибочные аминокислоты на коллаген, в конечном итоге прерывают нормальный процесс, посредством которого коллаген образует тройные спирали. «Ценное руководство» исследования по проектированию фрагментов коллагена «может быть использовано для изучения биологии [коллагена] и разработки новых методов лечения», — говорит Сергей Будко, молекулярный биолог из Медицинского центра Университета Вандербильта.

Для Форде открытие цистеиновых узлов также удовлетворяет загадку всей карьеры. «Я хотела ответить на этот вопрос более 20 лет», — говорит она. «Я думаю, что это одна из самых захватывающих научных историй, которые вышли из моей группы».