Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах - Паоло Пелоси

Новые соревнования

Но, пока мы сотрудничали с группами Снайдера и Амцеля, еще одна кристаллографическая лаборатория занялась идентичной структурой, любопытным образом повторяя все стадии нашего пути к изоляции коровьего ОСБ. В 1996 году один и тот же журнал (Nature Structural Biology) опубликовал две очень похожие статьи по структуре одного белка [4]. Марсельская группа под руководством Кристиана Камбилло и Мариэллы Тегони работала над тем же самым проектом, не имея никакого понятия о чужих результатах. В итоге наши данные по счастливой случайности получили еще одно независимое подтверждение. Вскоре после этого мы начали сотрудничать с Кристианом и Мариэллой и сотрудничаем до сих пор. Вдобавок мы стали очень хорошими друзьями.

Первым продуктом этого сотрудничества стала структура свиного ОСБ (см. рис. 23) – белка с мономерным устройством, больше похожего на другие липокалины. И снова мы видим типичную корзинку, окруженную связывающими карманами; в ней изображена молекула лиганда.

Почему эти два похожих белка имеют настолько разную пространственную форму? Дело в том, что у коровьего ОСБ нет цистеина, серосодержащей аминокислоты, способной образовывать ковалентную связь между этими двумя остатками. Такие дисульфидные связи играют важнейшую роль в стабилизации структуры белка, так как они соединяют две аминокислоты, часто отстоящие очень далеко друг от друга, и тем самым сжимают цепочку в более компактную конформацию. Свиной ОСБ стабилизируется дисульфидной связью, а коровий – собирая два фрагмента в единую структуру.

Рисунок 23. Два вида трехмерной структуры свиного ОСБ с молекулой бензил бензоата.

Здесь, видимо, самое время пояснить кое-что относительно наших диаграмм. Чтобы более понятно отобразить складывание белка, я взял рисунки, где показана только основная цепочка – в виде ленты.

Само собой, это грубейшее упрощение – на самом деле оно даже обманчиво. В действительности к этому скелету еще прилагаются боковые цепочки отдельных аминокислот с плотно упакованными атомами. Если вернуть их в изображение (для чего достаточно одного клика по компьютерной модели), мы получим невероятно компактную структуру, в которой между атомами вообще не останется места – за исключением внутренней связывающей полости.

Именно этой компактной структурой ОСБ и большинства других белков, принадлежащих к семейству липокалинов, и объясняется их высокая стабильность против любого разлагающего агента. Эти белки можно в буквальном смысле кипятить несколько минут – что безвозвратно денатурирует много других белков, – после чего, возвращенные в комнатную температуру, они полностью восстановят активность. Грубые органические растворители тоже не производят на них особого впечатления, и даже протеазы почти не в состоянии пробиться через такую компактную укладку.

Такая феноменальная устойчивость к деградации совершенно неудивительна у белков, находящихся в постоянном контакте с окружающей средой и со всеми потенциально вредными веществами, приносимыми в нос током воздуха. У этой компактной формы и стабильности есть два важных следствия. Во-первых, они очень полезны для биотехнологий, например для производства биосенсоров, чувствительных к запахам. А во-вторых, все ОСБ и многие липокалины являются потенциально сильными аллергенами. Будучи малы по размеру и устойчивы к деградации, они легко проникают в кровоток, вызывая иммунную реакцию организма.

Я уже упоминал, что параллельно с нашим открытием первого ОСБ млекопитающих Ричард Вот из Сиэттла опубликовал материал об открытии маленького растворимого белка на антеннах гигантского мотылька Antheraea polyphemus. Этот белок синтезируется только на антеннах самцов и связывает половой феромон этого вида, длинноцепочный ацетат.

Какое-то время мы и не подозревали об открытиях друг друга. У мира насекомых мало общего с миром млекопитающих, так что мы с Ричардом просто не пересекались на общих собраниях и конференциях. Встретились мы только через десять лет. В эру интернета с ее мгновенными коммуникациями и почти столь же быстрыми путешествиями такое трудно себе даже представить. Всего каких-нибудь 30 лет назад наука, конечно, двигалась вперед, но делала это куда медленнее и расслабленнее, чем сейчас. Несколько лет мы с Ричардом даже не пытались установить контакт, честно полагая, что наши области никак друг с другом не связаны.

На самом деле все было ровно наоборот. ОСБ насекомых оказались очень интересными; вскоре их уже повсеместно считали эквивалентом наших ОСБ млекопитающих. Между ними нашли несколько черт сходства, связанных не со структурой, а с функциями ОСБ и у млекопитающих, и у насекомых – маленькие белки (150–160 и 130–140 аминокислот соответственно), легкорастворимые, высококонцентрированные в ольфакторных органах и способные связывать молекулы пахучих веществ и феромонов.

Зато, если посмотреть на последовательности аминокислот, впору решить, что между двумя этими классами белков нет вообще ничего общего. Позднее, в 2000 году, когда был кристаллизован первый ОСБ насекомых (феромоно-связывающий белок, ФСБ, тутового шелкопряда, Bombyx mori) и разрешена его трехмерная структура, стало ясно, что укладывается он совершенно по-другому, чем ОСБ млекопитающих, так как состоит в основном из α-спиральных доменов [5].

Однако, подобно коровьему и свиному ОСБ, ФСБ тутового шелкопряда обладает очень компактной структурой, как бы обнимающей связывающую полость для гидрофобных лигандов – в данном случае для полового феромона, бомбикола (рис. 24).

Мы уже упоминали выдающуюся стабильность ОСБ млекопитающих в частности и липокалинов в целом, а также то, что эта высокая рефрактивность к денатурации и разложению превращает эти белки в мощные аллергены. То же самое можно сказать и об ОСБ насекомых, стабильность которых даже еще выше благодаря присутствию трех дисульфидных связей, вплетенных в очень прочную сеть. Неудивительно, что и их аллергичность тоже очень высока.

Поначалу изучение этих белков шло крайне медленно и ограничивалось видами с большими антеннами. Выбор гигантского мотылька Antheraea polyphemus на самом деле размером антенн и объяснялся.

Рисунок 24. Трехмерная структура типичного ОСБ насекомых, феромоно-связывающего белка тутового шелкопряда, Bombyx mori; и типичного хемосенсорного белка пустынной саранчи, Schistocerca gregaria. В обоих случаях белок упакован в очень компактную структуру, состоящую преимущественно из α-спиралей, но разную по форме. В случае ОСБ три дисульфидных мостика между несоседними цистеинами дополнительно укрепляют общую схему.

Сам этот факт и исключительное обилие ФСБ дали ученым возможность изолировать больше десяти микрограммов белка у одной-единственной мужской особи. Возможно, звучит не слишком впечатляюще, но такого количества биоматериала хватит на очень много экспериментов. В сравнении с другими белками антенн запасы ФСБ действительно внушительны.