Свернутые белки имеют определенную трехмерную структуру, определяемую исключительно их первичной последовательностью. Этот принцип занимает центральное место в биологии и является прямым предшественником так называемой парадигмы «структура-функция», которая предполагает, что четко определенная трехмерная структура кодирует конкретную функцию, и, таким образом, путем экстраполяции четко определенная структура является необходимостью для биологической функциональности1. , Существуют существенные доказательства этой догмы, основанные на постоянно увеличивающемся количестве структур в Protein Data Bank (PDB). Например, поразительное структурное сходство ферментов и часто соответствие структурных следов эволюции молекулярной функции подтверждают эту догму2,3.
Однако все больше свидетельств тому, что в физиологических условиях значительное количество белков остается развернутым4,5,6,7. Такие белки принимают множество быстро взаимопревращающихся структур вместо одной преобладающей структуры в отличие от свернутых белков. Такие белки или такие области в белке, таким образом, называются внутренне неупорядоченными белками (IDP) или внутренне неупорядоченными областями (IDR) соответственно 8,9. Для простоты далее я буду ссылаться на IDR и IDP как на IDP. После проекта «Геном человека» усовершенствованные алгоритмы предсказания структуры белка10, 11, 12 вскоре привели к пониманию того, что большая часть белков человека содержит неупорядоченную область, достигающую ~ 40%. 13. Синтез белка является дорогостоящим процессом для живой клетки14 и вышеприведенные обсуждения действительно побуждают нас задуматься, если функциональность – это просто следствие структуры, почему клетка тратит свои ресурсы на синтез ВПЛ; предполагая, что должен быть «метод в безумии». Было показано, что эукариоты / сложные формы жизни имеют значительно большее расстройство в своем протеоме по сравнению с элементарными организмами, такими как бактерии, которые обычно имеют менее 10% неупорядоченных белков15. Это указывает на то, что ВПЛ могут иметь решающее значение для нескольких сложных функций, необходимых для клеточной функции16. Как обсуждается ниже, IDP имеет определенные идиосинкразии последовательности, которые кодируют беспорядок и, следовательно, функцию. Следовательно, ВПЛ уклоняются от классической парадигмы структурной функции, и для понимания функции ИДП необходимо задействовать альтернативную парадигму, где последовательность кодирует беспорядок, который кодирует функцию 17 (рис. 1.1).
Свернутые белки имеют определенные характеристики последовательности, которые помогают им достичь свернутой глобулярной структуры. Эти особенности последовательности включают в себя определенную долю гидрофобных остатков, которые способствуют образованию свернутого состояния, в котором гидрофобные боковые цепи скрыты и позволяют формироваться вторичным элементам структуры. Также существует степень, в которой свернутые белки могут переносить несбалансированные остатки заряда, поскольку они приводят к расширению белка из-за электростатики. Комплексный анализ последовательности многочисленных ВПЛ Uversky et. и др. продемонстрировали четкую тенденцию в составе последовательностей IDP, IDP систематически имеют больше несбалансированных зарядов и меньше гидрофобных остатков по сравнению со свернутыми белками18. Этот анализ даже привел к эмпирической зависимости, которая приводит к четкому разделению пространства последовательностей на сложенные и развернутые области. (Рис 1.2). Это говорит о наличии пороговой точки с точки зрения средней гидрофобности относительно среднего чистого заряда, после которой белки не складываются18.
ВПЛ, как известно, связывают несколько биологических целей. Связывающие взаимодействия IDP делятся на две категории: 1) связанное сворачивание-связывание и 2) образование нечеткого комплекса (рис. 1.3) 19,20,21,22,23. Связанные механизмы свертывания-связывания включают в себя переход сворачивания IDP, где в связанном состоянии IDP принимает свернутую структуру. В таком механизме связывания партнер по связыванию предлагает структурообразующие взаимодействия, которых в противном случае у IDP нет, что позволяет ему принять свернутую структуру в контексте связанного комплекса. Связанные механизмы складывания-связывания снова входят в два аромата; индуцированная подгонка и конформационный отбор24. В случае механизма индуцированной подгонки весь неупорядоченный ансамбль может связать партнера, и после связывания происходит складной переход.
Напротив, для конформационного отбора связывающая склонная малая конформация в неупорядоченном ансамбле, имеющая значительное сходство со связанным состоянием, выбирается из равновесного ансамбля структур партнером по связыванию. Это заставляет равновесие восстанавливать, производя снова некоторые связывающие компетентные конформеры, которые снова связывают партнера, и процесс продолжает заполнять связанное состояние. Таким образом, для конформационного выбора складывание или структурный переход в основном происходит до события связывания.
Нечеткие комплексы образуются, когда неупорядоченный ансамбль сохраняет свой беспорядок после связывания партнера, не претерпевая каких-либо значительных конформационных изменений. В некоторых случаях это включает поливалентные взаимодействия между IDP и белками-партнерами, где множественные небольшие связывающие эпитопы на IDP служат точками закрепления с партнером по связыванию 25,26. ВПЛ часто содержат короткие линейные мотивы (SLiM) 27, 28, которые служат связующими эпитопами для мишени, и могут присутствовать несколько копий таких SLiM, позволяя ВПЛ участвовать в многовалентных взаимодействиях с партнером; такая многовалентность приводит к общему увеличению аффинности связывания, но в то же время небольшой размер эпитопов позволяет связывание без какого-либо значительного конформационного изменения неупорядоченного ансамбля.
Теперь стало ясно, что ВПЛ играют ключевую роль в регулировании и функционировании сотовой связи. Таким образом, было бы справедливо сказать, что ВПЛ являются краеугольным камнем в биологии эукариотических клеток, как мы это знаем.
Анализ последовательности показывает очень высокое содержание длинных неупорядоченных областей в белках, участвующих в регуляции транскрипции, таких как факторы транскрипции, ко-активаторы транскрипции и тран-активаторы, и хромосомные белки, такие как гистоны-линкеры29,30,31. Неупорядоченные регионы играют много ролей в таких случаях32. IDP могут образовывать линкерные области между мотивами / доменами распознавания в молекулах, действующих в качестве молекулярных центров, и способствуют аллостерическим взаимодействиям между удаленными сайтами. Одним классическим примером является CBP / p300, который содержит несколько сайтов для транскрипционного фактора, разделенных IDPs33. Такой каркас предлагает возможность аллостерических и кооперативных взаимодействий. Интересно, что некоторые из транскрипционных факторов, которые связывают CBP / p300, сами по себе также неупорядочены33. ВПЛ из-за их беспорядочного связывающего поведения также могут сами выступать в качестве узловых точек в регуляторных путях и кодировать регуляторную и сигнальную функцию; ярким примером является транскрипционный фактор р53, который образует неупорядоченный хаб, имеющий ~ 700 партнеров связывания34. ВПЛ, имеющие большие поверхности, подвержены посттрансляционным модификациям, которые являются легким способом достижения динамического регулирования. Такие регуляторные механизмы широко видны у IDP, функционирующих на всех этапах начала регуляции транскрипции, начиная от факторов транскрипции, регулируемых фосфорилированием, таких как p53, до динамической регуляции гистонов линкера посредством посттрансляционных модификаций в их неупорядоченных хвостах35, 36.
Вследствие их беспорядка, физическая химия ВПЛ в растворе, такая как коллапс, масштабирование и фазовое поведение, может быть объяснена в значительной степени на основе основных принципов физики полимеров37. Следовательно, подобно полимерам в растворах ВПЛ могут происходить разделение жидкой фазы с образованием концентрированной фазы, окруженной разбавленной фазой (рис. 1.4) 38. В последние годы открытие того факта, что многие клеточные органеллы, такие как стрессовые гранулы, Р-тела, ядрышки, тельца Каджала и т. Д., Образуются в результате разделения фаз жидкость-жидкость, часто обусловленного ВПЛ, привело к принципиально новому пониманию клеточной организации. На самом деле, проницаемость комплекса ядерных пор (NPC) также предположительно формируется разделенными фазами ВПЛ (более подробно обсуждается в следующих разделах) 39,40,41,42,43, 44. Таким образом, ВПЛ играют решающую роль. роль в клеточной организации путем формирования различных безмембранных органелл при разных физиологических признаках посредством разделения фаз жидкость-жидкость, которая служит тиглем для нескольких биохимических реакций, которые в других случаях невозможны в разбавленных концентрациях.
1.2 Нуклеоцитоплазматический транспорт и комплекс ядерных пор
1.2.1 Комплекс ядерных пор: структура, функция и путь нуклеоцитоплазматического транспорта
Краеугольным камнем биологии эукариотических клеток является компартментализация клеточных компонентов. Эукариотическая клетка в основном разделена на два компонента – ядро, представляющее собой оболочку с двойной мембраной, которая содержит ДНК / генетическую информацию, окруженную цитозолем, которая представляет собой водную среду, содержащую необходимые биомолекулы, необходимые для клеточной функции. Транспорт молекул из цитоплазмы в ядро и наоборот имеет решающее значение для клеточного гомеостаза. Ядерная оболочка украшена несколькими комплексами ядерных пор (NPC), которые представляют собой гигантские макромолекулярные комплексы, которые служат единственным каналом для переноса молекул через ядерную оболочку между ядром и цитоплазмой45.
NPC размером 120 МДа является крупнейшим макромолекулярным комплексом в эукариотической клетке. С давних пор в литературе было известно, что NPC имеет кольцеобразную архитектуру с очевидной 8-кратной вращательной симметрией46. Недавние разработки в крио-ЭМ привели к визуализации структуры NPC с беспрецедентными деталями47, 48, 49. Базовая структура структуры NPC включает три кольца: внутреннее кольцо, ядерное кольцо и цитоплазматическое кольцо. Внутреннее кольцо находится на стыке внешней и внутренней ядерной мембраны и прикрепляет ядерное и цитоплазматическое кольца к ядерной и цитоплазматической сторонам соответственно. Ядерное и цитоплазматическое кольца имеют удлинения, известные как цитоплазматические филаменты и ядерная корзина соответственно. Структура NPC состоит из 30 различных белков, известных как нуклеопорины (Nups), которые присутствуют в нескольких копиях; числа копий всегда кратны 847,48. Поразительной особенностью всех крио-ЭМ-карт NPC является большая центральная дыра, диаметром ~ 27 нм в самом узком месте, что может ввести в заблуждение мысль о том, что NPC действительно представляет собой дыру в ядерной оболочке, допускающую молекулярный обмен. На самом деле кажущаяся дыра заполнена ВПЛ очень высокой плотности. Около 1/3 Nups имеет расширения IDP и известны как FG-нуклеопорины (FG-Nups) 50,51. Эти неупорядоченные FG-Nups простираются от структуры лесов NPC и образуют барьер проницаемости NPC.
Нуклеоцитоплазматический транспорт является высоко регулируемым процессом; регуляция важна для поддержания клеточного гомеостаза. Ключом к регулирующей функции NPC является барьер проницаемости, образованный неупорядоченными FG-Nups. NPC действует как селективный фильтр по размеру, который позволяет свободно проходить грузам ниже порога размера ~ 40 кДа. Выше этого порогового размера транспорт через NPC требует распознавания груза молекулами, известными как ядерные транспортные рецепторы (NTR), которые сопровождают молекулу через NPC. Взаимодействие между неупорядоченными FG-Nups и NTRs лежит в основе NTR-ассоциированного нуклеоцитоплазматического транспорта грузов52.
Хотя перемещение через барьер проницаемости поры не требует энергии, но направленность экспорта или импорта через NPC поддерживается градиентом RanGTP / GDP, сформированным через NPC52. Ran – небольшая GTPase; RanGTP находится в избытке на ядерной стороне и RanGDP на цитоплазматической стороне. NTR в зависимости от того, участвуют ли они в импорте (importins) или экспорте (exportins), регулируются RanGTP по-разному, и это определяет направленность транспортировки. Нуклеоцитоплазматический транспорт включает три ключевых этапа: распознавание груза с помощью NTR, перемещение комплекса NTR / груза через барьер проницаемости и высвобождение груза из NTR с ядерной или цитоплазматической стороны.
Мужчины очень долго правили в индустрии фитнеса. Не удивительно, что женщины в равной конкуренции соревнуются с мужчинами в индустрии фитнеса. Они также ищут идеальное тело,
Есть несколько разных циклов, вокруг которых вращается Земля. Некоторые из циклов были затронуты катастрофой Фукусима-Дайхатсу. Завод в Фукусиме пострадал от землетрясения силой 9,0 балла. Растения,
Этот эксперимент проводится для наблюдения за развитием эмбрионов перепелов в течение нескольких дней. Эмбрион перепела обычно развивается и выводится через 20-21 день. Мы провели эксперимент