Однократная мутация кардинально изменяет структуру и функцию транспортирующих белков бактерий.
Замена одной аминокислоты в простом бактериальном белке изменяет его структуру и функцию, выявляя последствия эволюции сложных генов, находит новое исследование, проведенное с использованием бактерий кишечной палочки, может помочь исследователям лучше понять эволюцию транспортерных белков и их роль в лекарственной устойчивости.
"Мы были весьма удивлены тем, как незначительные мутации могут повлиять на структуру и функцию транспортерных белков", - сказал Нейт Трейзет, доцент химии Нью-Йоркского университета.
Ячейки связаны тонким мембранным слоем, который защищает их внутреннюю поверхность от воздействия внешней среды. Внутри этого слоя находятся белки-транспортеры, которые контролируют, какие вещества разрешены в клетку и из клетки. Эти транспортеры активно перемещают вещества через клеточную мембрану, загружая груз с одной стороны слоя, а затем изменяя свою структуру, чтобы освободить его с другой стороны.
Мембранные транспортеры обычно состоят из нескольких ретрансляторов. В более сложных транспортерах генетическая последовательность для каждой из этих структурных единиц сливается в единый ген, кодирующий белок.
Считается, что повторяющийся ген произошел из более мелких генов белков мембраны, которые дублировались и сливались вместе. Но есть ли эволюционные преимущества в том, что более сложные транспортеры производятся из одного сплавленного гена?
Для исследования этого ученые исследовали простой транспортер, обнаруженный в кишечнике E. coli, который изобилует людьми и животными. Однако некоторые штаммы кишечной палочки E. coli могут вызывать серьезные заболевания и становятся все более устойчивыми к антибиотикам, которые возникают при откачке токсичных соединений с помощью транспортеров в мембране. Транспортер кишечной палочки E. coli, называемый EmrE, содержит две идентичные белковые единицы, которые работают вместе для перемещения токсичных молекул через мембрану и удаления их из клетки.
Эксперименты показали, что изменение одной аминокислоты - структурных элементов, составляющих белки - в одной из двух белковых субъединиц, чтобы сделать их немного отличными друг от друга, резко изменило структуру и функцию транспортера. Тонкий аминокислотный своп нарушает баланс внутри и снаружи обращенных белков.
Важно отметить, что изменение одной аминокислоты изменило способность транспортера удалять токсичные химикаты из кишечной палочки и снизило устойчивость бактерий к лекарствам, что может иметь будущие последствия для разработки лекарств и борьбы с устойчивостью к антибиотикам.
"Хотя клиническое применение этих результатов находится в нескольких шагах от нас, понимание эволюции перевозчиков наркотиков дает нам новое представление о том, как мать-природа может использовать мутации для обеспечения лекарственной устойчивости", - сказал Трейзет.
Исследователи отмечают, что незначительное изменение одной из идентичных половин транспортера EmrE показывает, насколько чувствительны мембранные транспортеры к мутациям.
"Это наблюдение также может помочь объяснить, почему эволюция отдавала предпочтение более сложным транспортерам, состоящим из сплавленных генов, в которых изменения одиночных аминокислот могут изменить принцип работы транспортера", - добавил Трейзет.