Биологи МГУ установили природу многофункциональности белка ВИЧ

Коллектив биологов из МГУ выяснил, каким образом Tat белок вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) выполняет сразу три разных функции, и установили возможные эволюционные механизмы возникновения этой многофункциональности. Подобные исследования помогают понять механизмы развития вирусных инфекций и побочных болезней, некоторые из которых связаны с эффектами отдельных вирусных белков.

Жизнедеятельность вирусов невозможна вне клеток живых организмов, что накладывает ограничения на размер их частиц, геномов и, соответственно, белков. Это приводит к тому, что отдельные участки белков – домены – выполняют сразу несколько разнообразных функций.

«Такой эргономичный и минималистичный дизайн, когда один домен совмещает сразу несколько функций, на самом деле, намного сложнее реализовать, чем сделать несколько доменов с разными функциями. Кроме того, возникает вопрос о том, как такие многофункциональные домены могли возникнуть в ходе эволюции,– отметил один из авторов исследования, зав. лабораторией ультраструктуры клеточного ядра НИИФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ, профессор биологического факультета МГУ Евгений Шеваль. – Эту проблему мы решили изучить на примере основного домена Tat белка вируса иммунодефицита человека».

Основной домен Tat белка длиной в 9 аминокислот участвует в реализации трех разных функций. Первая, наиболее важная для вируса, заключается в регуляции синтеза вирусных РНК. Когда в ядре клетки производится вирусная РНК, то без участия Tat белка, получаются только короткие фрагменты, недостаточные для производства белков и сборки полноценных вирусов. Если же Tat белок присоединится к началу синтезирующейся РНК, её синтез происходит правильным образом. Вторая функция этого белка – сигнал ядерной локализации и третья, похожая, – сигнал ядрышковой локализации. Если смысл второй функции понятен – именно в ядре Tat белок исполняет свою главную задачу, – то смысл третьей на настоящее время не выяснен. Однако, как этот белок концентрируется в ядре и в ядрышке изучено слабо.

Были сведения относительно сигнала ядерной локализации: Tat белок способен связываться своим основным доменом со специальными клеточными белками, импортинами, которые постоянно мигрируют из ядра в цитоплазму и обратно, перенося на себе другие молекулы. Основное место работы Tat белка – ядро, и эта функция для вируса крайне полезна, так как повышает эффективность сборки вирусных частиц.

Но длина основного домена Tat белка вдвое больше таковой у других известных сигналов ядерной локализации: 9 аминокислот против обычных 4. С импортинами у основного домена связывается действительно лишь 4 аминокислоты, и австралийские учёные в 2017 году определили ту самую последовательность, которая участвует в этом взаимодействии. Однако учёные МГУ попробовали последовательно заменить эти 9 аминокислот на другие. Результат был противоречащий австралийскому: аминокислоты из разных частей основного домена влияли на накопление Tat белка в ядре. «Для разрешения этого противоречия Артур Залевский из Института биоорганической химии РАН предложил использовать методы вычислительной биологии. Проведенные им расчеты показали, что с импортином могут взаимодействовать самые разные участки основного домена, то есть любой участок имеет возможность связаться с рецептором, – пояснил Евгений Шеваль. – После этого удалось обнаружить признаки такого множественного связывания в опубликованной структуре комплекса импортина с основным доменом. Таким образом, кажется, что накопление белка в ядре определяется множественными связываниями основного домена с импортинами. По-видимому, не все из таких положений могут быть одинаково эффективны, но в сумме они позволяют эффективно накапливать белок внутри ядра. Это позволило предположить, что сигнал ядерной локализации возник следующим образом. Для эволюции белка важно было присутствие домена, который будет взаимодействовать с РНК, что привело к появлению домена, обогащенного положительно заряженными аминокислотами. Но этот участок мог связываться разными, пусть и не всегда оптимальными способами с импортинами, и как следствие, белок автоматически приобретал способность накапливаться в ядре, что для вируса выгодно. То есть эта функция возникла автоматически, она интегрирована в структуру основного домена».

По результатам исследования, аналогичная ситуация могла произойти и с возникновением третьей функции Tat белка – сигналом ядрышковой локализации. Учёные МГУ выяснили, что его перемещение в ядрышко обусловлено электростатическим взаимодействием аминокислот основного домена с компонентами ядрышка.

«Таким образом, можно предположить, что в ходе эволюции возник крайне специализированный белковый домен, функция которого состоит в активации синтеза вирусной РНК. Но из-за обогащенности положительно заряженными аминокислотами этот домен неизбежно начал выполнять и еще две функции: накопления белка в ядре и ядрышке. Причем, первая функция вирусу оказалась выгодной. Полезна ли вторая из этих функций — остается загадкой. Как бы то ни было, интеграция нескольких функций могла помогать вирусу приобретать новые функции без увеличения размера белков, а значит, и размера вирусных частиц», – подытоживает Евгений Шеваль.

В исследовании принимали участие студенты, аспиранты и сотрудники биологического факультета, факультета биоинженерии и биоинформатики, НИИФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ, а также сотрудники Института биоорганической химии РАН, Института Густава Русси (Institut Gustave Roussy, Франция) и Европейской молекулярно-биологической лаборатории (European Molecular Biology Laboratory, Германия).