Белок-чемпион

В одноклеточных водорослях нашли белок, который крупнее всех других известных нам белков.

Недавно мы писали о папоротнике с самым большим геномом, и вот сейчас, спустя всего два с лишним месяца, мы узнаём про нового рекордсмена – одноклеточную водоросль Prymnesium parvum, которая синтезирует самый большой белок из известных нам. И речь тут идёт не о тех белках, которые состоят из нескольких отдельных полипептидных цепей, вроде гемоглобина, а о тех, которые представляют собой один непрерывный полипептид.

До сих пор самым большим таким белком был титин – белок поперечно-полосатых мышц, который необходим для правильной сборки сократительного аппарата. У титина есть разновидности, чуть поменьше и чуть побольше, но обычно говорят, что он состоит более чем из 34 тыс. аминокислот, а его масса 3,7–3,8 мегадальтон (дальтон – атомная единица массы), что в 90 раз больше обычного, «средневзвешенного» белка. Однако водорослевый белок PKZILLA-1 с его 4,7 мегадальтонами превосходит титин по массе на 25%.

Водоросль P. parvum относится к гаптофитовым водорослям, которые, с одной стороны, служат пищей для разных животных, с другой, некоторые гаптофитовые вызывают массовую гибель рыбы. P. parvum, живущая как в солёных, так и в пресных водах, как раз из этих некоторых. Она синтезирует токсин примнезин, и если водоросли становится слишком много, рыба начинает гибнуть буквально сотнями тонн. Примнезин относится к классу поликетидных полиэфиров, которые иногда называют едва ли не самыми сложными веществами, которые можно найти у живых организмов. Хотя в их названии есть приставка «поли-», строение у этих веществ не полимерное, в их огромных молекулах нет повторяющихся блоков, как в нуклеиновых кислотах, или как в белках, или как в сложных углеводах. Кроме примнезина, среди них есть и другие токсины, например, бреветоксин морских простейших динофитовых, из-за которого случается массовая гибель водных животных во время так называемых красных приливов.

Структура токсина примнезина-1. (Иллюстрация: Charlesy / Wikipedia) 

Но даже на фоне других поликетидных полиэфиров примнезин отличается на редкость сложным химическим строением, и не один десяток лет исследователи ломали голову над тем, как именно водоросль может его синтезировать. Разгадать загадку – по крайней мере, отчасти – удалось с помощью новых методов чтения и анализа генома.

Сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего и Университета Пердью описывают в статье в Science обнаруженные в геноме P. parvum гены PKZILLA-1 и PKZILLA-2; второй кодирует белок, похожий на PKZILLA-1, но поменьше – всего 3,2 мегадальтона. (Надо думать, что -ZILLA в названиях появилась от Годзиллы.) По последовательности гена можно восстановить последовательность аминокислот в белке, а по последовательности аминокислот понять, чем белок занимается. Последовательность аминокислот в белках-«годзиллах» указывала на то, что это ферменты. Перебрав множество биохимических превращений, исследователи выбрали те, которые должен катализировать PKZILLA-1 – он действительно занимается не одной, а целым рядом реакций.

Обычно в сложных и больших белках разные участки аминокислотной цепи складываются в отдельные домены – функциональные единицы, выполняющие какую-то одну задачу. У PKZILLA-1 насчиталось сто сорок доменов, сгруппированных по сходству функций, то есть несколько десятков доменов, занимающихся одинаковой реакцией, в PKZILLA-1 находятся рядом друг с другом. Самое главное, что вся последовательность реакций, которую должен выполнять PKZILLA-1, даёт непосредственного предшественника примнезина. Из предшественника должен потом получиться готовый токсин, но, так или иначе, PKZILLA-1 делает всю основную работу.

Правда, всё, что мы узнали о PKZILLA-1, мы узнали из анализа генетической последовательности, и, вероятно, их стоит проверить с настоящим белком – хотя не факт, что это будет легко: сам белок может оказаться очень неустойчивым, очень капризным к условиям работы и т. д. В перспективе, если мы хотим узнать, не грозит ли водоёму отравление примнезином, то стоит искать не сам мегафермент, а фрагменты ДНК, которая его кодирует. Скорее всего, похожие белки участвуют в синтезе других токсинов той же разновидности, и в дальнейшем исследователи собираются искать похожие гены у других водных простейших.