Вчені розкрили таємницю стабільності колагену в організмі

Колаген є найпоширенішим білком в організмі людини та основою сполучних тканин, таких як сухожилля, кістки, хрящі та шкіра. Він слугує каркасом організму, підтримуючи клітини під час їх росту та функціонування. Попри свою життєво важливу роль, колаген має незвичайну особливість — він не є стабільним при температурі тіла.

Цим парадоксом зацікавилася Ненсі Форд, біофізик з Університету Саймона Фрейзера, та її колеги. Вони дослідили особливості колагену IV типу, які відіграють роль у його стабільності. Результати їхнього дослідження, опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, виявили цистеїни як ключові хімічні «скоби», що допомагають колагену IV залишатися цілісним. Краще розуміння цих структурних особливостей може надати уявлення про хімічно змінений колаген, пов'язаний з розладами сполучної тканини.

У стабільному стані колаген IV має структуру потрійної спіралі, що складається з трьох ниток, скручених разом як нитка. При вищих температурах, таких як температура тіла, ці нитки розплітаються в хаотичні котушки. Форд порівняла зовнішній вигляд колагену IV з «маленьким льодяником на паличці», з однією глобулярною областю, що називається неколагеновим доменом 1 (NC1) на С-кінці, та ниткоподібним колагеновим доменом, що простягається від нього до N-кінця.

На молекулярному рівні ця потрійна спіральна структура складається з повторюваних послідовностей гліцин-X-Y, де пролін та гідроксипролін зазвичай заповнюють позиції X та Y. Але колаген IV має переривання в цьому шаблоні, де гліцин відсутній у кожній третій амінокислоті. Ці розриви підвищують гнучкість, але також сповільнюють його складання в потрійну спіраль.

Для вивчення окремих ниток колагену IV тодішній аспірант Форд Алаа Аль-Шаер використовував атомно-силову мікроскопію для картування конформацій білка. Дослідники припустили, що ці переривання можуть утворювати область мікророзгортання, яка буде однією з перших областей, що розплітаються під впливом тепла, і з'являтися як розтягнуті, більш гнучкі випуклості.

Аль-Шаер оцінював конформацію колагену IV в сухих умовах при температурах 4°C, 22°C (кімнатна температура) та 37°C (температура тіла). Нитки значно розплітались при температурі тіла, але, очевидно, не в колагеновому домені в місцях, які очікувала команда. Натомість Форд зауважила: «Було лише одне місце в усій послідовності, де ми помітили значну механічну зміну перед розгортанням». Ця область інтересу знаходилася лише в 200−250 нанометрах від домену NC1, приблизно на дві третини шляху від домену NC1 до N-кінця.

«Атомно-силова мікроскопія ніколи не застосовувалася до колагену таким чином для вивчення складання та розгортання», — сказав Абхішек Джалан, біохімік з Університету Байройта, який не брав участі в дослідженні. «Це дуже примітне дослідження в цьому відношенні».

Досліджуючи область N-кінцевої частини до зміненої ділянки, дослідники відзначили, що вона, здавалося, позначала позицію останнього опору. Колаген IV зберігав свою структуру N-кінцевої частини до цієї області, але С-кінцевої частини до цієї точки ланцюги розплітались.

Вони спостерігали, що кожен з трьох колагенових ланцюгів містив два цистеїнові залишки, розташовані лише на одну-дві амінокислоти один від одного. Ці близько розташовані цистеїни з'єднувались, утворюючи дисульфідні зв'язки, діючи як хімічні «скоби», що допомагали утримувати ланцюги разом. Загалом шість цистеїнових залишків утворювали три дисульфідні зв'язки, створюючи те, що дослідники назвали «цистеїновим вузлом».

Цей вузол відіграє вирішальну роль у стабілізації структури колагену. При температурі тіла колаген IV був схильний до розплітання аж до вузла, але коли він охолоджувався, колаген починав перескладатися, стягуючи котушки назад разом. На відміну від цього, нитки колагену IV, які не мали цих цистеїнових «скоб», розпадались набагато швидше і не могли знову зібратися.

Під час цих подій перескладання дослідники також були здивовані, побачивши, що коли колаген IV збирався протягом ночі, він перескладався в напрямку від N- до С-кінця. Ці висновки суперечать поточній парадигмі, яка стверджує, що колаген складається від С- до N-кінця.

Джалан знайшов спостережуваний напрямок перескладання заплутаним. «Домени NC1 мають сильну тенденцію до самоасоціації», — пояснив він. Через це він поставив під сумнів, як цистеїнові залишки, які потребували б близькості для утворення стабілізуючих дисульфідних зв'язків та подальшого утворення вузлів, могли б керувати процесом перескладання замість домену NC1. Однак Джалан зауважив, що потрібні подальші експерименти для дослідження цього запропонованого зсуву парадигми.

Хоча колаген знаходиться по всьому тваринному царству, різні типи колагенів еволюціонували в різний час. Джалан відзначив: «Один аргумент полягає в тому, що не існує єдиного механізму складання, який би поєднував усі різні типи колагенів. Це головоломка складання, і якщо всі частини не разом, повна картина не може з'явитися». Цистеїновий вузол є однією частиною, тоді як інші елементи, такі як білкові шаперони та міжланцюгові сольові містки, також можуть відігравати критичні ролі в стабільності білка.

Розвиваючи цю роботу, група Форд планує застосувати цей підхід до інших колагенів, таких як проколаген I, який також має глобулярний кінець, та дослідити, як мутації та інші хімічні зміни в колагенах можуть призводити до захворювань. Це дослідження відкриває нові можливості для розуміння молекулярних механізмів, що лежать в основі стабільності колагену, та може мати важливі наслідки для розробки методів лікування захворювань сполучної тканини.