Исследователи из University of California, Berkeley комбинировали cutting-edge cryo-electron microscopy (cryo-EM) с компьютерным молекулярным моделированием, чтобы получить модель на атомном разрешении взаимодействия между микротрубочками и белком, ассоциированным с микротрубочками, наз. tau.

Модель предоставила информацию о том, как tau стабилизирует микротрубочки и что происходит, если он отделяется, чтобы сформировать tau агрегаты или "узелки," при некоторых нейрологических заболеваниях -- включая Алцгеймера болезнь.

Микротрубочки играют важную роль в поддержании формы клетки, обеспечивая некоторые формы передвижения, облегчая внутриклеточный транспорт и расхождение хромосом во время митозов. Каждая микротрубочка представляет собой полый цилиндр, состоящий из тринадцати параллельных протофиламент из тубулиновых белков.

Tau помогает удерживать микротрубочки стабильными и организует из в пучки. Мутации или пост-трансляционным модификации, такие как гиперфосфорилирование, которые понижают сродство tau's к микротрубочкам, внося тем самым вклад в образование tau узелков.

Используя cryo-EM для получения нативного полной длины зрелого tau, связанного с микротрубочками с разрешением 4.1 A, они показали, что tau прикрепляется вдоль продольной длины гребешка тубулиновых филамент. Эта находка согласуется с ранним исследованием cryo-EM с низким разрешением.

Tau от природы дизорганизованный неупорядоченный белок, включающий проекционный домен, регион, связывающий микротрубочки, из 4-х несовершенных повторов последовательностей и C-терминальный домен. Tubulin является димером, это означает сконъюгированную пару близко родственных полипептидов, в данном случае α-tubulin и β-tubulin. Тубулиновые димеры стягиваются вместе (или полимеризуются) head-to-tail, чтобы сформировать протофиламенты, которые и дают микротрубочки.

"Принимая во внимание отсутствие регуляторной структуры, мы не были до конца уверены, что tau действительно будет формировать упорядочивающие взаимодействия с тубулином" говорит Elizabeth Kellogg.

Чтобы проверить эту гипотезу, согласно которой tau остатки участвуют в связи с тубулином, исследователи создали синтетическую конструкцию tau с регионами, связывающимися с микротрубочками, представленными 4 идентичными повторами и получили изображения также этих прикрепленных микротрубочек (с общим разрешением в 3.2 -- 3.9 А).

"Когда мы, наконец, оказались способны увидеть длину tau повтора и увидеть. что он имеет определенную структуру и сайт связывания, мы поняли, что tau фактически формирует специфические взаимодействия с поверхность тубулина," сказал Kellogg. "Мы оказались способны примирить длину повтора и информацию о последовательности и это оказалось ключом, необходимым, чтобы понять, как улучшить реконструкцию, достаточную для атомного моделирования."

Исследователи затем обратились к Rosetta, сложнейшей сюите, инструменту компьютерного моделирования для предсказания трехмерной атомной структуры макромолекул, исходя из информации об аминокислотных последовательностях, определяющих конформацию при наинизшем энергетическом состоянии. Высокого разрешения cryo-EM картирование позволило исследователям получить представление об общей форме молекулярного комплекса, повысив точность модели, объясняет Nogales.

Предсказания Rosetta структуры для двух разных синтетических tau конструкций сошлись на одном и том же решении: Участок остова в 27 остатков, распределяется по трем тубулиновым мономерам. "Идентичные регистр последовательностей и атомные детали от двух независимых способов картирования подчеркнул надежность (robustness) нашего решения и предоставил высокое доверие к аккуратности наших атомных моделей," говорит Nogales.

"Наша структура показала, как в основном контактирует tau с поверхностью микротрубочки в интерфейсе между субъединицами тубулина, действуя как 'степлер', чтобы способствовать ассоциации между субъединицами тубулинов и объясняя, как tau обеспечивает стабильность микротрубочек," говорит Kellogg. "Структура также объясняет, как фосфорилирование tau приводит к его диссоциации от микротрубочек."

Фосфорилирование серина в положении 262 (универсально законсервирован среди tau повторов) , как было установлено, ослабляет связывания микротрубочек и является маркером болезни Алцгемера. Модель показывает, что фосфорилирование в этой критической точке присоединения д. нарушать взаимодействия между tau и микротрубочкой и тем самым вызывать отпадение скрепок ("staples to fall off)." Дополнительные остатки, критические для соединения tau-микротрубочка были также идентифицированы.