Что такое рибосомы бактерий

Рибосома – минифабрика по производству белков

Одним из наиболее сложных процессов, осуществляемых живыми существами, является, пожалуй, синтез белков — важнейших структурных и функциональных «кирпичиков» любого организма. Подлинное понимание молекулярных процессов, лежащих в его основе, могло бы пролить свет на неимоверно давние события, связанные с тайной зарождения самой Жизни.

Во всех живых организмах, от простейших бактерий до человека, белки синтезируются специальными клеточными устройствами рибосомами. На этих уникальных фабриках происходит образование белковой цепи из отдельных аминокислот.

В клетках, ведущих интенсивный белковый синтез, рибосом очень много: так, в одной бактериальной клетке содержится около 10 тыс. этих минифабрик, составляющих до 30% общей сухой массы клетки! В клетках высших организмов рибосом содержится меньше — их число зависит от типа ткани и уровня метаболизма клетки.

Рибосома синтезирует белок со средней скоростью 10—20 аминокислот в секунду. Точность трансляции исключительно высока — ошибочное включение «неправильного» аминокислотного остатка в цепь белка составляет в среднем одну аминокислоту на 3 тыс. звеньев (при средней длине белковой цепи у человека в 500 аминокислотных остатков), т. е. всего одна ошибка на шесть белков.

О генетическом коде

Программа, задающая последовательность аминокислотных остатков в белке, записана в геноме клетки: около полувека назад было установлено, что аминокислотные последовательности всех белков непосредственно закодированы в ДНК с помощью так называемого генетического кода. Согласно этому коду, универсальному для всех живых организмов, каждой из двадцати существующих аминокислот соответствует свой кодон — тройка нуклеотидов, представляющих собой элементарные единицы цепочки ДНК. Любой белок закодирован в ДНК определенной последовательностью кодонов. Эта последовательность называется геном.

Одна клетка может содержать до 10 тыс. рибосом — белковых минифабрик, составляющих до 30% сухой клеточной массы

Как же эта генетическая информация доходит до рибосомы? На отдельном гене, как на матрице, синтезируется цепь еще одной информационной молекулы — рибонуклеиновой кислоты (РНК). Этот процесс копирования гена, называемый транскрипцией, осуществляется специальными ферментами — РНК-полимеразами.

Но РНК, полученная таким образом, еще не является матрицей для синтеза белка: из нее, вырезаются определенные «некодирующие» куски нуклеотидной последовательности (процесс сплайсинга).

Точность белкового синтеза рибосомой исключительно высока — у человека ошибка составляет один на три тысячи «неправильный» аминокислотный остаток

В результате получается матричная РНК (мРНК), которая и используется рибосомами в качестве программы для синтеза белка. Сам синтез, т.е. перевод генетической информации с языка нуклеотидной последовательности мРНК на язык аминокислотной последовательности белка, называется трансляцией.

Декодирование и синтез

В клетках эукариот одну мРНК обычно транслирует сразу множе­ство рибосом, образуя так называемые полисомы, которые можно отчетливо видеть с помощью электронной микроскопии, позволяющей получать увеличение в десятки тысяч раз.

Как поступают в рибосому аминокислоты, являющиеся строитель­ными кирпичиками для синтеза белка? Еще в 50-х годах прошлого столетия были открыты особые «перевозчики», доставляющие аминокислоты в рибосому, — короткие (длиной менее 80 нуклеотидов) транспортные РНК (тРНК). Специальный фермент присоединяет аминокислоту к одному из концов тРНК, причем каждой аминокислоте соответствует строго определенная тРНК. Синтез белка на рибосоме включает три основные стадии: начало, удлинение полипептидной цепи и окончание.

Сама рибосома — одна из самых сложно организованных молекулярных машин клетки — состоит из двух неравных частей, так называемых субчастиц (малой и большой). Ее можно легко разделить на части центрифугированием при сверхвысоких скоростях в специальных пробирках с раствором сахарозы, концентрация которой увеличивается сверху вниз. Поскольку малая субчастица в два раза легче большой, они движутся от верха пробирки к дну с разными скоростями.

Малая субчастица отвечает за декодирование генетической информации. Она состоит из высокомолекулярной рибосомной РНК (рРНК) и нескольких десятков белков (около 20 у прокариот и более 30 — у эукариот).

В раковых клетках резко повышается уровень некоторых рибосомных белков. Возможная причина — сбои в механизмах авторегуляции их производства

Большая субчастица, ответст­венная за образование пептидной связи между аминокислотными остатками, состоит из нескольких рРНК: одной высокомолекулярной и одной (или двух в случае эукариот) низкомолекулярной, а также нескольких десятков белков (более 30 у прокариот и до 50 у эукариот). О масштабе деятельности рибосом можно судить хотя бы по тому факту, что рибосомная РНК составляет около 80 % всей РНК клетки, тРНК, транспортирующая аминокислоты, — около 15 %, тогда как матричная РНК, несущая информацию о белковой последовательности, — лишь 5 %!

Нужно отметить, что рибосомные белки наделены множеством других, дополнительных функций, которые могут проявляться на разных этапах жизнедеятельности клетки. Например, рибосомный белок S3 человека — один из ключевых белков центра связывания мРНК на рибосоме — принимает также участие в «ремонте» повреждений в ДНК (Kim et al., 1995), участвует в апоптозе (запрограммированной гибели клетки) (Jung et al., 2004), а также защищает от разрушения белок теплового шока (Kim et al., 2006).

Кроме того, чересчур интенсивный синтез некоторых рибосомных белков может свидетельствовать о развитии злокачественной трансформации клетки. Например, значительное повышение уровня пяти рибосомных белков было обнаружено в опухолевых клетках толстого кишечника (Zhang et al., 1999). Недавно сотрудниками лаборатории структуры и функции рибосом ИХБФМ СО РАН был открыт новый механизм авторегуляции биосинтеза рибосомных белков у человека, основанный на принципе обратной связи. Не­управляемый синтез рибосомных белков, характерный для опухолевых клеток, вероятно, вызван сбоями именно в этом механизме. Дальнейшие исследования в этой области представляют особый инте¬рес не только для ученых, но и для медиков.

Работает как «рибозим»

Удивительно, но, несмотря на миллиарды лет эволюции, разделяющие бактерии и человека, вторичная структура рибосомальных РНК у них мало различается.

О том, как уложена рРНК в субчастицах и каким образом она взаимодействует с рибосомными белками, до недавнего времени было известно не много. Революционный сдвиг в понимании устройства рибосомы на молекулярном уровне произошел на рубеже нового тысячелетия, когда с помощью рентгеноструктурного анализа удалось расшифровать на уровне отдельных атомов структуру рибосом простейших организмов и их модельных комплексов с мРНК и тРНК. Это позволило понять молекулярные механизмы декодирования генетической информации и образования связей в молекуле белка.

Оказалось, что оба важнейших функциональных центра рибосомы — как декодирующий на малой субчастице, так и отвечающий за синтез белковой цепочки на большой субчастице — сформированы не белками, а рибосомной РНК. То есть, рибосома работает подобно рибозимам — необычным ферментам, состоящим не из белков, а из РНК.

Рибосомные белки, тем не менее, также играют важную роль в работе рибосомы. В отсутствие этих белков рибосомные РНК совершенно неспособны ни декодировать генетическую информацию, ни катализировать образование пеп­тидных связей. Белки обеспечивают необходимую для работы рибосомы сложную «укладку» рРНК в функциональных центрах, служат «передатчиками» изменений пространственной структуры рибосомы, необходимых в процессе работы, а также связывают различные молекулы, влияющие на скорость и точность процесса белкового синтеза.

Сама рабочая схема белкового цикла в принципе одинакова для рибосом всех живых существ. Однако до сих пор неизвестно, до какой степени схожи молекулярные механизмы работы рибосом у разных организмов. Особенно не хватает информации об устройстве функциональных центров рибосом высших организмов, которые изучены гораздо хуже, чем рибосомы простейших.

Это связано с тем, что многие из методов, успешно использованных для исследования рибосом прокариот, оказались для эукариот неприменимыми. Так, из рибосом высших организмов не удается получить кристаллы, пригодные для рентгеноструктурного анализа, а их субчастицы невозможно «собрать» в пробирке из смеси рибосомных белков и рРНК, как это делается у простейших.

От низших — к высшим

И все-таки способы получения сведений о строении функциональных центров рибосом высших организмов существуют. Одним из таких методов является метод химического аффинного сшивания, разработанный 35 лет назад в отделе биохимии НИОХ СО АН СССР (ныне ИХБФМ СО РАН) под руководством академика Д. Г. Кнорре.

Метод основан на использовании коротких синтетических мРНК, несущих в выбранном положении химически активные («сшивающие») группы, которые в нужный момент можно активировать (например, облучая мягким ультрафиолетовым светом).

Метод аффинного химического сшивания был разработан 35 лет назад в отделе биохимии НИОХ СО АН СССР (ныне ИХБФМ СО РАН) под руководством академика Д. Г. Кнорре.До появления рентгеноструктурного анализа рибосом он использовался во всем мире для изучения рибосом у прокариот.
Этот метод и сегодня является основным для изучения структурно-функциональной организации рибосом высших организмов

Достоинство этого метода в том, что сшивающую группу можно присоединить практически к любому нуклеотидному остатку мРНК и в результате получить детальную информацию о его окружении на рибосоме. Используя набор коротких мРНК с разным расположе­нием сшивающей группы, нам удалось определить рибосомные белки и нуклеотиды рРНК рибосомы человека, образующие канал для считывания генетической инфор­мации в процессе трансляции.

Впервые экспериментально удалось показать, что все нуклеотиды рРНК малой рибосомной частицы человека, соседствующие с кодонами мРНК, расположены в консервативных районах вторичной структуры молекулы рРНК. Более того, их расположение совпадает с положением соответствующих нуклеотидов во вторичной структуре рРНК рибосом низших организмов. Это позволило сделать вывод, что эта часть рибосомной РНК малой субчастицы составляет эволюционно консервативный «кор» (сердцевину) рибосомы, структурно идентичный у всех организмов.

С другой стороны, в устройстве мРНК-связывающего канала рибосом у человека и низших организмов обнаружен ряд принципиальных различий. Оказалось, что у высших организмов рибосомные белки играют намного большую роль в формировании этого канала, чем у прокариот, кроме того, в этом участвуют также белки, не имеющие «двойников» (гомологов) у низших организмов.

Почему же, несмотря на то, что функция рибосомы практически не изменилась в процессе эволюции, в организации декодирующего центра рибосом у высших организ­мов появились специфичные черты? Вероятно, это связано с более сложной и многостадийной регуляцией белкового синтеза у эукариот по сравнению с прокариотами, в ходе которой рибосомные белки мРНК-связывающего канала могут взаимодействовать не только с мРНК, но и с различными факторами, влияющими на эффективность и точность трансляции. Так ли это, покажут дальнейшие исследования.

Источник

Исследователи раскрыли рецепт создания рибосом. Как это поможет человечеству?

Ученые придумали высокопроизводительный метод построения рибосом, который использует части различных микробов, а также измеряет и оптимизирует способность рибосом катализировать производство белка. Рассказываем о новом исследовании биологов и все, что нужно знать о рибосоме.

Читайте «Хайтек» в

Что такое рибосома?

Рибосоома — важнейшая немембранная органелла всех живых клеток, служащая для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК). Этот процесс называется трансляцией. Рибосомы имеют сферическую или слегка эллипсоидную форму диаметром от 15–20 нанометров (прокариоты) до 25–30 нанометров (эукариоты), состоят из большой и малой субъединиц. Малая субъединица считывает информацию с матричной РНК, а большая — присоединяет соответствующую аминокислоту к синтезируемой цепочке белка.

В эукариотических клетках рибосомы располагаются на мембранах эндоплазматической сети, хотя могут быть локализованы и в неприкрепленной форме в цитоплазме. Нередко с одной молекулой мРНК ассоциировано несколько рибосом, такая структура называется полирибосомой (полисомой). Синтез рибосом у эукариот происходит в специальной внутриядерной структуре — ядрышке.

Какая функция у рибосом?

Рибосомы на внешней поверхности эндоплазматического ретикулума играют важную роль в синтезе белка внутри клеток.

ДНК в ядре клетки несет генетический код, который состоит из последовательностей аденина (A), тимина (T), гуанина (G) и цитозина (C). РНК, которая содержит урацил (U) вместо тимина, переносит код на участки образования белков в клетке. Чтобы создать РНК, ДНК соединяет свои основания с основаниями «свободных» нуклеотидов. Информационная РНК (мРНК) затем перемещается к рибосомам в цитоплазме клетки, где происходит синтез белка. Основные триплеты транспортной РНК (тРНК) соединяются с таковыми из мРНК и в то же время откладывают свои аминокислоты на растущей белковой цепи. Наконец, синтезированный белок высвобождается для выполнения своей задачи в клетке или в другом месте тела.

Рибосомы состоят из рибосомных белков и рибосомальной РНК (рРНК). У прокариот рибосомы примерно на 40% состоят из белка. У эукариот рибосомы примерно наполовину состоят из белка и наполовину из рРНК. Рибосомы обычно состоят из трех или четырех молекул рРНК и примерно от 40 до 80 различных рибосомных белков.

Каждая рибосома состоит из двух субъединиц, большей и меньшей, каждая из которых имеет характерную форму. Субъединицы обычно называют их скоростью седиментации, которая измеряется в единицах Сведберга (S) в центробежном поле. Маленькие и большие субъединицы эукариот обозначаются 40S и 60S, соответственно, в то время как прокариоты содержат небольшую субъединицу 30S и большую субъединицу 50S.

Зачем ученым изучать рибосомы?

Рибосома — это клеточная фабрика по синтезу белка. Обладая скоростью синтеза белка до 20 аминокислот в секунду и точностью 99,99%, необычайная каталитическая способность бактериального механизма трансляции привлекла значительные усилия для разработки, реконструкции и перепрофилирования для биохимических исследований и новых функций. Фундаментальные ограничения на химические процессы, которые может выполнять активный сайт на основе РНК рибосомы, неизвестны до сих пор.

Тем не менее, ученые стремятся создать новые виды рибосом, которые генерируют белки с новыми свойствами.

Исследователи из Института Брода сделали важный шаг в этом направлении. Они придумали высокопроизводительный метод построения рибосом, который использует части различных микробов. Кроме того, он измеряет и оптимизирует способность рибосом катализировать производство белка. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, подробно описывается успешное введение более 30 различных рибосом в клетку Escherichia coli.

Напомним, E. coli, или кишечная палочка — вид грамотрицательных палочковидных бактерий, широко распространенных в нижней части кишечника теплокровных животных. Большинство ее штаммов безвредны, однако серотип O157:H7 может вызывать тяжелые пищевые отравления у людей и животных.

Поскольку антибиотики обычно нацелены на рибосомы у различных бактерий, новый метод может стать способом быстрого тестирования новых лекарств, нацеленных только на молекулярные фабрики конкретных патогенов у человека.

Таким образом ученые планируют решить проблему резистентности к антибиотикам. Технология позволит проверять новые лекарства и потенциально обнаруживать молекулы, которые ингибируют рибосомы от патогенов человека, но не комменсальные бактерии. Они помогают иммунной системе распознавать болезнетворные микроорганизмы. Патогенные бактерии при попадании в организм способны вызывать заболевания. Эти бактерии могут распространяться через воду, воздух, почву, а также при физическом контакте.

Работа также дает исследователям новые инструменты для синтетической биологии. Раньше рибосомы E. coli представляли собой основную часть инструментария, доступного синтетическим биологам. Во время работы ученые были заинтересованы в расширении этого инструментария на рибосомы других видов и использовании их для новых приложений.

Как продвинулись ученые?

Исследователи синтетической биологии обычно используют части рибосомы E. coli при конструировании новых макромолекул, но это ограничивает возможности исследователей создавать большее количество молекул.

В начале исследования команда ученых стремилась понять, почему так сложно заставить рибосому другого вида работать в клетке E. coli. Для этого биологи использовали ортогональную трансляцию. Этот метод заставляет рибосому генерировать исключительно определенный белок — в данном случае зеленый флуоресцентный белок (GFP). Если рибосома работала в новой среде, исследователи могли сразу увидеть, что клетка вырабатывает GFP и флуоресцирует зеленым цветом.

Напомним, зеленый флуоресцентный белок выделен из медузы Aequorea victoria, который флуоресцирует в зеленом диапазоне при освещении его светом от синего до ультрафиолетового диапазона.

Используя этот метод, ученые определили, что рибосомы бактерий, тесно связанных с E. coli, могут легко транслировать GFP. Чем более генетически диверсифицированы бактерии, тем труднее их рибосомам работать в кишечной палочке.

Однако команда из Института Брода смогла улучшить функцию рибосом из отдаленно родственных бактерий, введя ключевую РНК и белки, связанные с рибосомами из исходной клетки. Таким образом миниатюрная молекулярная фабрика чувствовала себя как дома и заставляла ее работать с E. coli. Затем исследователи разработали универсальные инженерные правила для ортогональной трансляции, которые можно было бы распространить на любой репортерный белок. Достоверность этих правил ученые подтвердили в тесте на других флуоресцентных белках.

Авторы работы планируют превратить свой подход в платформу для скрининга антибиотиков на предмет ингибирования, специфичного для рибосом, а также для исследования биотехнологических применений сконструированных рибосом.

Источник

Чего вы не знаете о рибосоме.

Чего вы не знаете о рибосоме.

Рибосомы обладают избирательностью

Автор

Редактор

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Еще со школьной скамьи мы знакомы с рибосомой — внутриклеточным органоидом, производящим белки. Роль рибосомы давно перестала быть тайной для человечества. Тут все просто и понятно: используя матричную РНК в качестве «инструкции по сборке»: рибосома последовательно соединяет аминокислоты в длинную белковую цепь. Казалось бы, назначение этого органоида в клетке — разгаданная загадка, и интерес к рибосоме должен вот-вот угаснуть. Но в последние десятилетия в области изучения рибосом совершается колоссальный переворот. И мы можем наблюдать его своими глазами!

Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2018.

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

Белки принимают участие в самых разных клеточных процессах. Например, они могут быть строительными блоками для образования клеточных структур, могут катализировать протекание химических реакций в клетке, осуществлять транспорт молекул из клетки и обратно, а также выполнять некоторые другие важные функции. Понятно, что для нормального роста и развития любой клетке необходимо синтезировать белки. А для их производства, как известно, необходимы рибосомы, ведь именно они отвечают за этот процесс.

Об экспериментах ученых над субъединицами рибосом читайте в статье «Биомолекулы» «Две рибосомные субъединицы объединили в функциональный гибрид» [1].

У «Биомолекулы» есть интересная статья-рассуждение о том, как именно мог сложиться этот «кодовый» язык»: «У истоков генетического кода: родственные души» [3]. Интересно, что генетический код может эволюционировать — «Биомолекула» приоткрывала завесу этой тайны в статье «Эволюция генетического кода» [4].

О том, как ученые исследовали это процесс, «Биомолекула» рассказывала в статье «Рибосома за работой» [5].

Еще несколько увлекательных статей «Биомолекулы» о генетическом коде (и не только) для самых любознательных читателей: «Самые нестандартные генетические коды» [6] и «Таинственный код нашего генома» [7].

Количество рибосом в клетке достаточно велико — более 15 тысяч на одну клетку. Одна рибосома синтезирует белок со скоростью 15–20 аминокислот в секунду. При этом ошибается она достаточно редко — одна ошибка случается на 3000 аминокислот. Если принять, что белки в среднем состоят из 400 аминокислотных остатков, то получается, что рибосома совершает всего 1 ошибку на 7 белков! Таким образом, работа рибосомы — высокоточный процесс, в котором задействовано множество дополнительных молекул. Известный американский биохимик Брюс Альбертс даже сравнил рибосому с «молекулярной машиной», подчеркнув этим слаженность и элегантность работы этого сложного молекулярного комплекса [8].

Рибосома была открыта в 1955 году [9], в то самое время, когда ученые ломали голову над тем, как именно генетическая информация перекодируется из ДНК в белки. Интересно, что уже тогда исследователи обратили внимание на неодинаковость рибосом в клетке (Джордж Паладе заметил, что размеры и формы клеточных рибосом немного различаются [10]). Предполагалось, что эта неодинаковость вызвана их различным составом. Фрэнсис Крик, являясь сторонником данного предположения, даже выдвинул гипотезу, суть которой можно выразить фразой «один ген — один белок — одна рибосома» [11]. Он полагал, что существует некий РНК-посредник (в то время о существовании мРНК еще не было достоверно известно), который после синтеза на ДНК встраивается в рибосому, а она, используя «код» этой РНК, производит белок. Предполагалось, что в клетке должны присутствовать тысячи различных рибосом, каждая из которых «сделана под заказ» для производства одного-единственного белка с использованием одного-единственного РНК-посредника. Но через некоторое время эту гипотезу признали ошибочной. Поскольку главные вопросы молекулярной биологии того времени относились к реализации генетической информации, изучение феномена неодинаковости рибосом отошло на второй план.

Новые вехи в истории рибосомы

Новая волна интереса к рибосомам поднялась в начале 90-х годов прошлого столетия. Возможно, толчком к этому послужили две примечательные работы, посвященные исследованию рибосом на разных стадиях жизни эукариотических организмов — малярийного плазмодия и клеточного слизевика.

Малярийный плазмодий вызывает у человека тяжелое заболевание — малярию. Заражение происходит после укуса малярийного комара, в слюне которого находится возбудитель болезни. Отличительной особенностью плазмодия является то, что его жизненный цикл состоит из двух частей (рис. 1). Одна часть протекает в теле комара, другая — в теле человека [12].

Рисунок 1. Жизненный цикл малярийного плазмодия

[12], рисунок с изменениями

После укуса спорозоиты плазмодия — мелкие червеобразные подвижные клетки — попадают в кровоток. По кровотоку они достигают печени, где размножаются бесполым путем, превращаясь в одноядерные клетки, называемые мерозоитами. Голодные мерозоиты атакуют клетки крови — эритроциты — и проникают в них. Питаясь гемоглобином, мерозоиты продолжают бесполое размножение. Через некоторое время они разрушают эритроциты и снова выходят в кровь, где набрасываются на новые эритроциты. Это происходит циклично через каждые 48 часов. При разрушении эритроцитов в кровоток попадают и токсичные продукты жизнедеятельности мерозоитов, так что у человека через равные промежутки времени наблюдаются приступы лихорадки с ознобом и высокой температурой.

На стадии выхода из эритроцитов часть мерозоитов приобретает признаки половых клеток (мужских и женских) — образуются гаметоциты. Когда это происходит, плазмодий вступает во вторую стадию жизненного цикла, которая протекает в теле комара. Если комар выпивает кровь больного малярией человека, то в его организме гаметоциты окончательно созревают и превращаются в гаметы. Именно в теле комара гаметы сливаются, образуя оплодотворенную яйцеклетку. Для дальнейшего развития яйцеклетке необходимо попасть в кишечник комара, где она, проходя несколько стадий, образует спорозоиты. Малярийный плазмодий возвращается в то состояние, когда для дальнейшего развития ему снова необходимо попасть в тело человека. Как только комар кусает свою жертву, спорозоиты попадают в кровь, и цикл повторяется.

Так вот, изучая рибосомы малярийного плазмодия, ученые выяснили, что рРНК малой субъединицы рибосомы кодируется двумя генами [13]. Оказалось, что в клетках плазмодия, живущего в москитах, образуется продукт одного рРНК-гена, а в клетках, попавших в млекопитающее или человека, — продукт другого гена рРНК. Выходило, что, во-первых, состав рибосомы может меняться, а, во-вторых, что эти изменения зависят от состояния внешней среды и от фазы жизненного цикла организма.

Похожие результаты, но уже в отношении других компонентов рибосомы — рибосомных белков — несколькими годами позже получили другие ученые.

Dictyostelium discoideum — слизевик, обитающий в верхних слоях почвы, — является излюбленным модельным организмом молекулярных биологов.

Бóльшую часть жизненного цикла диктиостелиум проводит в виде одноклеточных амёбоподобных форм (миксамёб), питающихся бактериями и дрожжами. При благоприятных условиях (достаточная влажность, нужная температура, наличие питательных веществ) миксамёбы питаются и свободно размножаются делением надвое. Можно сказать, что миксамёбы — индивидуалисты, предпочитающие избегать контактов с сородичами, но когда их численность возрастает и пищевые ресурсы заканчиваются, начинают происходить удивительные вещи. Одна или несколько голодающих клеток принимаются выделять молекулы циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) — сигнала «клеточного голода», который одновременно является хемоаттрактантом, привлекающим к источнику сигнала соседних миксамёб. Во время миграции ползущие миксамёбы выделяют и собственное небольшое количество цАМФ, привлекая все больше и больше новых клеток. В результате происходит быстрое объединение огромного количества миксамёб в единый холмообразный агрегат, насчитывающий до нескольких тысяч особей. Так возникает псевдоплазмодий — большое скопление амёбоидных клеток. От обычного плазмодия он отличается тем, что образующие его клетки не сливаются воедино полностью, а, находясь в тесном контакте с соседними клетками, все же сохраняют обособленность и индивидуальность. После агрегации, клетки, находящиеся на вершине «холма», все еще выделяют сигнальные молекулы, и за счет этого продолжают выталкиваться кверху клетками, находящимися у «подножия». Плазмодий вытягивается вверх, а затем заваливается на бок. С этого момента он переходит в стадию «слизня». Мигрируя по направлению к свету и более высокой температуре, слизень достигает поверхности почвы, где в результате перегруппировки и дифференцировки составляющих его клеток формируется плодовое тело. Оно состоит из вытянутого стебелька и находящейся на его вершине споровой коробочки. Споры после созревания рассеиваются ветром, и на новых местах при благоприятных условиях из них выходят миксамёбы, а жизненный цикл слизевика начинается заново (рис. 2) [14].

Рисунок 2. Этапы жизненного цикла слизевика Dictyostelium discoideum

Именно этот необычный жизненный цикл диктиостелиума заинтересовал ученых из Института молекулярной биологии в Нью-Джерси [15]. Они исследовали рибосомы клеток, находящихся на разных жизненных этапах: на стадии одноклеточной миксамёбы (назовем их рибосомы «старыми») и на стадии споры (назовем их рибосомы «новыми»). Из клеток обеих стадий выделили рибосомные белки и количественно сравнили. Результаты были неожиданными. Как оказалось, между стадиями жизненного цикла происходит некое «переключение» состава рибосом, когда «старые» рибосомы утилизируются и на их место приходят «новые», состав которых отличен от первоначального (рис. 3)! В чем состояло отличие? Оказалось, что «новые» рибосомы содержат иные количества некоторых рибосомных белков по сравнению со «старыми». Опять, как и в случае с плазмодием, получалось, что состав рибосом меняется в зависимости от стадии клеточного цикла, но изменениям в данном случае подвергается уже не рРНК, а другой компонент рибосомы — белки.

Рисунок 3. Изменение клеточного состава рибосом слизевика Dictyostelium discoideum в течение жизненного цикла

[12], рисунок с изменениями

Как можно объяснить полученные в ходе этих двух экспериментов данные, фиксирующие изменения в составе рибосом, которые зависят от стадии жизни организма и от условий внешней среды? Знакомясь с научными статьями, посвященными этому вопросу, можно встретить разные рассуждения. Например, такое. Оно опирается на наше знание того, что на разных стадиях жизненного цикла производимый клеткой набор белков примерно схож. Но для каждой стадии существуют и свои характерные белки. По-видимому, для производства таких белков на каждой конкретной стадии необходимы «специальные» рибосомы. При переходе на другую стадию, где требуются иные характерные белки, образуются иные «специальные» рибосомы. Но как рибосома узнает, какие именно белки ей производить? Можно предположить, что для производства «нужных» белков она должна «выбрать» соответствующие им мРНК из всех мРНК, присутствующих в клетке. Как и какие мРНК ей выбрать для трансляции? Опять же можно предположить, что в рибосоме существует некий участок (это могут быть области рРНК, рибосомных белков или те и другие одновременно), взаимодействующий с молекулами мРНК и каким-то образом производящий «селекцию» тех молекул мРНК, которые будут использованы для трансляции. Иными словами, те или иные молекулы, входящие в рибосому, могут напрямую влиять на то, какие мРНК она «выберет» для трансляции и, следовательно, на то, какие белки будут образовываться в клетке [16]. Эти рассуждения приводят к вероятности существования взаимозависимости между набором белков и составом рибосом.

Встречаются и другие рассуждения. Вот еще одно из них. Обновление молекул, включая и те, что входят в рибосому, — это главнейший процесс во время роста и развития клетки. Поэтому можно рассматривать синтез «новых» рибосом как механизм поддержания стабильности этих органелл и их функциональной целостности для обеспечения выживаемости организма [17]. Например, в случае со слизевиком ученые обнаружили, что малая (40S) субъединица рибосом у спор более устойчива к воздействию температуры, чем малая субъединица рибосом миксамёб. Возможно, именно «новые» рибосомные белки обеспечивали эту стабильность. Эти рассуждения могут приводить к мысли о том, что рибосомы способны играть роль в поддержании гомеостаза для повышения выживаемости организма.

Во времена описываемых опытов образование зрелой 80S рибосомы из двух субъединиц являлось загадкой, но третий вариант рассуждений [16] был приближен к современному и опирался на то, что для соединения двух субъединиц в одну зрелую крайне важно взаимодействие рРНК и рибосомных белков. Однако было непонятно, какую именно роль играют рРНК и рибосомные белки в образовании ее функциональных областей. Предполагалось, что рРНК крайне важна для производства белковой цепи, и ее «правильная» структура необходима для протекания разных этапов этого процесса. А вот рибосомные белки нужны именно для создания такой структуры. Они являются каркасом для правильного расположения рРНК в зрелой рибосоме. Таким образом, назначение «переключения» белкового состава рибосом — регулировать пространственную структуру рибосомы, обеспечивая доступ к ее участкам, необходимым для трансляции белков именно на данном этапе жизненного цикла.

Проведенные опыты позволили ввести понятие гетерогенной популяции рибосом — то есть такой популяции, в которой один или несколько структурных компонентов (рибосомные белки или рибосомные РНК) зрелой органеллы подвергались изменениям (качественным или количественным) в течение жизненного цикла клетки.

Возникало множество вопросов. Например, какое из приведенных выше суждений справедливо, какая теория верна? Какую все-таки роль играют рибосомные белки и рРНК в функционировании рибосомы? Влияют ли они на синтез специфических молекул, характерных для клеток определенных стадий и тканей? Каков механизм «переключения» состава рибосомы? Существуют ли гомогенные популяции рибосом, то есть такие, состав которых не меняется? А также возникали многие другие вопросы, ответов на которые в то время не было.

Рибосома — молекулярный фильтр?

В данной статье невозможно описать все эксперименты, проведенные исследователями во время поиска ответов на эти вопросы, хотя многие из них были крайне смелыми и новаторскими и, несомненно, увлекли бы читателя. Но мы ограничимся наиболее значительными, а также опишем ключевые научные идеи, лежащие в основе современного взгляда на рибосому.

В самом начале нового тысячелетия возникла гипотеза рибосомного фильтра [18]. Заслуга авторов этой гипотезы, Винсента Мауро и Геральда Эдельмана, в том, что они, проанализировав и обобщив накопившиеся к тому времени данные, предложили совершенно новый взгляд на рибосому и на принцип ее функционирования. Если раньше рибосома рассматривалась как пассивная структура, с машинной точностью воспроизводящая генетическую информацию, то новый взгляд, предложенный авторами, возводил рибосому в новый ранг, и теперь ей приписывалась неожиданная роль в управлении фундаментальными клеточными процессами. Она приобретала звание «фильтра», который из общего потока клеточных мРНК отсеивает некоторую часть с заданными свойствами и на их основе производит белок. Остальные же мРНК она для трансляции не использует. Авторы предложили и механизм «отсеивания».

Дело в том, что в мРНК есть не только области, кодирующие аминокислотную последовательность белка, но и области, имеющие чисто регуляторное назначение (рис. 4). С их помощью начинать синтезировать белок рибосома может по двум разным механизмам.

Рисунок 4. Белки могут образовываться двумя разными способами. Слева изображен кэп-зависимый механизм начала трансляции. Рибосома садится на кэп, который располагается на одном из концов мРНК, в так называемой нетранслируемой области (НТО), так как она не «переводится» в белок, а является чисто регуляторной. Справа — кэп-независимый механизм. Рибосома садится на IRES, который, благодаря своей сложной пространственной структуре (в рамке), направляет ее к старт-кодону.

рисунок автора статьи

Первый носит название кэп-зависимого, или сканирующего. На одном из концов молекулы мРНК имеется специальная структура — кэп (молекула 7-метилгуанозина), на который перед началом синтеза садится рибосома. Сев, она движется вдоль молекулы мРНК, сканируя ее на предмет старт-кодона, кодирующего первую аминокислоту белка. Найдя старт-кодон, рибосома начинает синтез.

При втором механизме, кэп-независимом, характерном в основном для вирусов, рибосома садится на специальную область, называемую IRES (Internal Ribosomal Entry Site; в переводе с англ. — «сайт внутренней посадки рибосомы»), которая и направляет ее к старт-кодону.

Так вот, гипотеза рибосомного фильтра предполагала, что «фильтрование» происходит за счет специфического взаимодействия рибосомных белков и рРНК с определенными областями мРНК, которые могут запускать синтез белка по схожему с IRES принципу. Такие взаимодействия должны носить конкурирующий характер. Это значит, что мРНК, обладающие одинаковыми или схожими областями, будут соперничать за связывание с рибосомой, и эффективность их трансляции будет различна.

Способность клетки менять состав рибосом также имеет огромное значение для работы «фильтра». Добавление или утрата некоторых компонентов может приводить к пространственной недоступности областей рибосомы, взаимодействующих с мРНК, а значит, будет блокировать и синтез некоторых белков. Именно так, по мнению авторов гипотезы, могла меняться специфичность «фильтра».

Гипотеза рибосомного фильтра породила другую гипотезу — о специализации рибосом [19]. Специализация — следствие гетерогенности, то есть избирательность рибосом в отношении мРНК, которая приводит к синтезу только каких-то определенных белков, закодированных в «избранных» рибосомой молекулах мРНК. К сожалению, ввиду отсутствия приборов и методов, с помощью которых можно было бы экспериментально проверить описанные идеи, эти гипотезы так и оставались гипотезами некоторое время.

Гипотезы приобретают подтверждение

Несомненно, двадцать первый век — век высоких технологий, позволяющих человеку совершать то, что раньше казалось выдумкой ученых-фантастов. И молекулярные биологи активно пользуются результатами научно-технического прогресса в своих научных изысканиях. Благодаря интенсивному развитию техники, несколько лет назад сразу обе гипотезы нашли свое экспериментальное подтверждение [20]. С помощью самых современных технологий установили, что рибосомы модельного объекта — стволовой клетки эмбриона мыши, не обладающей таким сложным жизненным циклом, как клетки диктиостелиума или малярийного плазмодия, также гетерогенны, то есть отличаются друг от друга составом входящих в них белков. Получается, что и клетки млекопитающих содержат неодинаковые по составу рибосомы!

Дальше — больше. Оказалось, что в одной и той же клетке присутствует не одна гетерогенная популяция рибосом, как полагали ранее, а сразу несколько таких популяций! Они не сменяют друг друга, а сосуществуют одновременно. Было экспериментально доказано, что каждая из популяций преимущественно осуществляет трансляцию только определенного набора мРНК. Это означает, что рибосомы не универсальны, то есть не способны транслировать абсолютно любую молекулу мРНК, как считалось ранее. Отдельные группы рибосом взаимодействуют только с некоторыми мРНК и, следовательно, «отвечают» за синтез лишь части клеточных белков. Было доказано, что избирательность рибосом вызвана именно присутствием определенных рибосомных белков, которые, предположительно, связываются с некими регуляторными областями в мРНК. Но точный механизм этого процесса требует дальнейших исследований.

Итак, получается, что функции рибосомных белков более обширны, чем мы были склонны думать ранее! Благодаря изменениям состава рибосомы клетка может регулировать, какие гены будут «превращены» в белки, а какие нет, в соответствии с ее нуждами.

Что же дальше?

Пока рано говорить о том, куда приведут нас исследования гетерогенности рибосом. Несомненно, они позволят человечеству лучше понимать механизмы многих заболеваний, в том числе онкологических.

Например, уже выявлены заболевания, именуемые рибосомопатиями, причиной которых являются генетические мутации компонентов рибосом [21].

Анемия Даймонда—Блэкфана — типичный пример рибосомопатии, выявляется в течение первого года жизни ребенка. Это заболевание названо в честь врачей, впервые его описавших и классифицировавших в 30-е годы двадцатого века. Оно относится к числу редких, встречается в пяти случаях из миллиона, с одинаковой вероятностью и у мальчиков, и у девочек. Первичным симптомом болезни является повышенная бледность кожи ребенка, описаны случаи рождения детей с «заячьей губой». К возрасту шести месяцев могут появиться такие симптомы как увеличение размеров печени и селезенки, нарушения работы сердечно-сосудистой системы. Также происходит процесс торможения выработки эритроцитов в костном мозге, из-за чего наблюдаются бледность, вялость, быстрая утомляемость. При отсутствии лечения заболевание приводит к тяжелой сердечной недостаточности и смерти. Как оказалось, причиной, вызывающей анемию Даймона—Блэкфана, являются мутации в генах, кодирующих некоторые рибосомные белки, что приводит к неправильной работе рибосом, снижению их количества в клетках и, как следствие, негативным последствиям.

В заключение

История рибосомы, начавшаяся более шестидесяти лет назад, — яркий пример процесса научного поиска, который привел к изменению нашего взгляда на работу и функции рибосомы. Сейчас мы не можем сказать, чем закончится эта история, к каким результатам и открытиям она приведет.

В науке не бывает незначительных результатов. Мы, обыватели, привыкли, что ее достижения влияют на нашу жизнь, а, следовательно, должны быть масштабными и иметь непосредственное практическое применение. Например, открытие пенициллина — первого антибиотика — позволило спасти миллионы жизней и дало виток новому направлению исследований, до сих пор не утратившему актуальности. Масштаб и польза налицо. Однако нам следует помнить, что в области познания не бывает «больших» и «малых» достижений. Любой научный результат — это всегда движение вперед, это всегда большая победа, созданная огромным кропотливым трудом целой плеяды ученых. Так же и исследования рибосомы. Возможно, они станут еще одним штрихом, добавленным учеными к нашей картине мира, а возможно, приведут к колоссальному прорыву, например, в лечении онкологических заболеваний.

Источник