От оргазма до бессмертия. Записки драг-дизайнера

Опять семерка

Выражение «рецепторы, сопряженные с G-белками», как легко догадаться, еще одна калька — на сей раз с англоязычного G-protein-coupled receptors. В начале двухтысячных мне довелось выступать в московском академическом институте с докладом, где упоминались и эти рецепторы. Выступал я, естественно, по-русски, а надписи на слайдах были по-английски, и когда дело дошло до G-protein-coupled receptors, я запнулся — не знал соответствующего русского термина. Мне подсказали — и тут-то я и услышал впервые словосочетание «рецепторы, сопряженные с G-белками». Длинновато, подумал я, и после выступления спросил у коллег, нет ли общепринятого краткого обозначения данного семейства белков, наподобие английского GPCRs. Да нет, ответили мне, разве что «серпентины» или «семиспиральные» — но так ли уж нужно сокращенное название?

Тогда я согласился, но сам вспомнил историю из своей молодости. В калининградском ресторане я сидел за одним столиком с хорошо уже подвыпившим индивидуумом, который пытался привлечь внимание своего знакомого, морского офицера, сидевшего в другом конце зала. «Майор, а, майор!» — кричал он на весь ресторан. Офицер встал, пересек зал, наклонился над ним и со сдержанным бешенством сказал: «Мое звание — капитан третьего ранга!» Но тот не растерялся: «Не могу же я кричать: "Капитан третьего ранга, а, капитан третьего ранга!"» — парировал он.

Слово «серпентины» ведет свое происхождение от «серпент» — змея по-французски и по-английски; серпантином словари называют узкую вьющуюся ленту или горную дорогу с резкими поворотами. Структура белков, о которых идет речь, в самом деле отдаленно напоминает такую дорогу: белковая цепочка пересекает мембрану, затем разворачивается на сто восемьдесят градусов и снова ее пересекает; так повторяется шесть раз.

Схематическое изображение семиспирального рецептора, встроенного в мембрану

Мембрана состоит из липидов, веществ, не растворимых в воде; поэтому в семи участках аминокислотной последовательности рецептора, внедренных в мембрану, преобладают аминокислоты гидрофобные, избегающие контактов с водой. Обычно длина этих участков около двадцати-тридцати аминокислот; чтобы полностью помститься в толще мембраны, им нужно принять конформацию уже знакомой нам альфа-спирали — цилиндра, в котором каждая четвертая аминокислота взаимодействует друг с другом. Семь спиралей-цилиндров, в свою очередь, формируют плотный пучок, пронизывающий мембрану насквозь — так называемый трансмембранный сегмент (ТМ-сегмент). Каждая последовательная пара цилиндров соединяется петлями — три петли торчат с наружной стороны мембраны и три с внутренней. Кроме того, мембраны выступают еще два фрагмента белковой цепочки — начальный (снаружи) и концевой (внутри). Эти фрагменты свободны от взаимодействий с мембраной, конформационные особенности различаются от рецептора к рецептору; структурный же мотив трансмембранного сегмента — упаковка из семи спиралей — повторяется для всех серпентинов, они же семиспиральные белки.

Число семь имеет особое, притом загадочное значение во многих религиях и мифологиях. От семи дней творенья до семи смертных грехов, до семи чудес света — всюду человечество по каким-то неясным причинам предпочитает другим числам именно это. Возможно, объяснение следует искать в психологии: было показано, что людям трудно одновременно запомнить более семи (плюс-минус два) единиц информации, не связанных друг с другом («правило семи элементов»). Но как тогда быть с числом семь в науке — с семью цветами радуги в физике, семью периодами таблицы Менделеева в химии, а теперь еще и с семью спиралями трансмембранного сегмента в биологии? Несколько лет назад на одном из молекулярно-биологических форумов в интернете вопрос почему этих спиралей именно семь, был задан, но убедительный ответ так и не прозвучал: загадка осталась загадкой. Как обычно, ее списали на эволюцию: «так уж у нее получилось».

То, что спиралей именно семь и что они пересекают мембрану, можно было догадаться уже по аминокислотной последовательности этих рецепторов: в ней достаточно отчетливо выделялись семь гидрофобных участков. Но как они упакованы в пространственной структуре ТМ-сегмента, оставалось неясным. Для того чтобы использовать могучие методы рентгеноструктурного анализа, следовало сначала вырастить правильные кристаллы белков, а для этого выделить их молекулы в чистом виде. «Выделить» в представлении биохимиков догеномной эры означало вытащить молекулы рецепторов из мембраны и освободить их от прилипших к ним липидов. Останется ли после этой процедуры их пространственная структура той же, какой она была в липидном окружении, можно было лишь надеяться. Кроме того, кристаллизация требует высокой концентрации белка, а значит, надо переработать немалое количество исходного продукта — тканей из организмов животных.

Вот так и получилось, что первым 7-ТМ-рецептором (употребим и такой термин), трехмерная структура которого была установлена рентгеноструктурной кристаллографией, стал бычий родопсин, белок сетчатки глаза, — этих отходов на любом мясокомбинате сколько угодно. Для других рецепторов подобных источников не нашлось — и белковые химики провели несколько лет в попытках синтезировать их аминокислотные последовательности. Попытки не принесли успеха: гидрофобные участки последовательности плохо растворялись в воде, из-за чего процесс синтеза практически останавливался.

(Справедливости ради можно отметить, что первым семиспиральным белком, конформация которого была экспериментально установлена, был бактериородопсин, белок, выделенный из мембран бактерий. Но он не взаимодействует с G-белками и, соответственно, не может считаться полноценным ТМ-рецептором.)

Новый подход к получению мембранных белков появился с открытием семейства генов, в которых была закодирована последовательность семиспиральных рецепторов. Лаборатория Роберта Лефковица в Северной Каролине давно занималась мембранными рецепторами, в частности бета-2-адренергическим рецептором (β2AR), с которым связывается адреналин. Брайану Кобилке, молодому сотруднику Лефковица, удалось изолировать ген, кодирующий рецептор, и клонировать этот белок с его помощью. Вставив в аминокислотную последовательность рецептора дополнительный белок — лизоцим, — исследователи получили молекулу, достаточно устойчивую для кристаллизации и последующего изучения средствами рентгеноструктурного анализа. В отношении трехмерной структуры β2AR оказался весьма похожим на родопсин — те же семь цилиндров, упакованных в трансмембранный пучок; лишь конформации петель, соединяющих цилиндры, у двух рецепторов были разными.

Напрашивался следующий вывод: возможно, найден общий принцип структурной организации всего громадного семейства рецепторов, сопряженных с G-белками, — а в нем на сегодняшний день насчитывается уже около тысячи белков, и это только в организме человека. Ни одно из других семейств белков, закодированных в геноме, не достигает таких размеров. Рецепторы различаются как функционально, по лигандам, с которыми они связываются, так и по эволюционным подсемействам, к которым принадлежат. Но по структурным особенностям — по строению трансмембранного сегмента — они могут быть близки друг другу.

Это предположение не замедлило подтвердиться экспериментально. Путь, намеченный открытием трехмерной структуры β2AR, оказался плодотворным: на начало 2019 года были установлены пространственные структуры пятидесяти девяти рецепторов — и все они характеризовались семиспиральным трансмембранным пучком. В некоторых кристаллах содержались также лиганды, что позволило более подробно изучить факторы их взаимодействия с рецепторами. В двух-трех лабораториях этот процесс был поставлен на поток — но тем не менее причины, затруднявшие экспериментальное исследование конформационных свойств рецепторов ранее, остались теми же и теперь. Поэтому каждая новая структура давалась за счет кропотливого труда и немалой изобретательности — и публикации о ней, как правило, появлялись в самых престижных научных журналах.

Схематическое изображение комплекса β2AR с G-белком

Но статья в одном из июльских номеров журнала Nature за 2011 год выделялась даже на этом фоне. В ней группа Брайана Кобилки из Стэнфордского университета в Калифорнии сообщала об экспериментально установленной структуре целого агрегата: β2AR в комплексе со своим лигандом и, главное, вместе с соответствующим ему G-белком. Впервые удалось «увидеть» реальную картину того, как рецептор взаимодействует с G-белком с внутренней стороны клеточной мембраны и как G-белок в результате этого взаимодействия может перестроиться с изменением пространственного расположения отдельных его субъединиц. Молекулярный механизм действия лиганда — то есть, с точки зрения драг-дизайна, лекарства — прояснился в значительной степени.

Работа была действительно выдающейся — и очень быстро, в 2012 году, Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка получили Нобелевскую премию по химии «за исследования рецепторов, сопряженных с G-белками». По этому поводу шеренга портретов в вестибюле медицинского факультета Вашингтонского университета в Сент-Луисе увеличилась. К фотографиям двадцати трех нобелевских лауреатов, так или иначе имевших отношение к университету, добавилось изображение Брайана Кобилки, проходившего когда-то врачебную стажировку в университетском госпитале. В своей биографии он пишет, что в этот период он много работал в реанимации, где часто приходилось использовать лекарства, быстро стабилизирующие сердечный ритм, понижающие давление крови или снимающие боль, — типичные лиганды 7-ТМ-рецепторов. Так он заинтересовался проблемой, которая и привела его в дальнейшем в лабораторию будущего соавтора и солауреата Роберта Лефковица. А наш университет с удовольствием пополнил коллекцию «своих» нобелиатов.