Аппарат биосинтеза белка

Мы сегодня поговорим о рибосомах как о центральном звене в сложном аппарате биосинтеза белка. Рибосома — это большая макромолекулярная машина, которая отвечает за синтез белков в живых клетках всех без исключения живых организмов. Рибосома — это довольно сложный макромолекулярный комплекс. Она состоит из двух неравных субъединиц. И каждая из субъединиц состоит из нескольких молекул рибосомальной РНК и нескольких десятков белковых молекул. Рибосома использует молекулы транспортных РНК в качестве нативных субстратов. И эти молекулы транспортной РНК используются в различных видах. В частности, аминоацил-тРНК поставляют элементарные кирпичики или элементы для строительства белка — аминокислоты. Пептидил-тРНК удерживает растущую полипептидную цепь. Деацилированная тРНК, как отработанный субстрат, должна быть удалена из рибосомы по окончании каждого раунда удлинения полипептидной цепи.

Рибосомы были открыты в 1950-х годах. Они являются объектом изучения и пристального внимания со стороны исследователей. Почему это так важно? Почему это так интересно? Я постараюсь вкратце вам рассказать. Вообще, если посмотреть на бактериальную клетку (а бактериальные рибосомы изучены гораздо лучше, чем эукариотические), то бактериальная клетка выглядит как большой мешок с рибосомами. Рибосомы будут составлять порядка 60% сухой массы. Как на производство рибосом, так и на вообще синтез белка клетка тратит колоссальное количество ресурсов. И, вообще говоря, если посмотреть, то, с одной стороны, цикл биосинтеза белка является одним из наиболее изученных процессов, с другой стороны, знание детальных механизмов приводит нас к тому, что мы вновь и вновь наталкиваемся на какие-то совершенно удивительные особенности. И кажется, что этот объект для исследований является поистине неисчерпаемым.

На сегодняшний момент исследования рибосом переживают второе, а может быть, и третье рождение. И этот этап начался приблизительно с 2000 года, когда были получены первые пространственные структуры бактериальных рибосом. Они были получены методами рентгеновской кристаллографии. И в 2009 году трое исследователей были удостоены Нобелевской премии за эту работу. В этот момент исследователи поделились на две группы. Одна группа считала, что с появлением пространственной структуры все основные вопросы решены и исследования можно сворачивать. Вторая группа считала, что на самом деле теперь все только начинается. И действительно, оказалось, что та система, с которой мы ранее общались как с неким черным ящиком, то есть без знания пространственной структуры мы знали, какие субстраты использует рибосома, мы знали, что требуется матричная РНК, кодирующая генетическую информацию, что требуются субстраты (аминоацил-тРНК) и что в результате получается синтезированный полипептид, или белок. Однако, как это происходит, детали молекулярного механизма были неизвестны.

А с появлением пространственных структур исследования вышли на качественно новый уровень. И наличие структур позволило делать направленные эксперименты, модифицировать те или иные участки либо рибосомальной РНК, либо рибосомных белков и изучать, как те или иные структурные элементы обеспечивают функционирование рибосомы и катализ определенных реакций.

Почему изучение рибосом является столь важным и актуальным на сегодняшний день? Вопрос очень важный, и ответ на него довольно короткий: антибиотики. Это связано с тем, что порядка половины антибиотиков, используемых на сегодняшний день в терапии, являются ингибиторами тех или иных реакций биосинтеза белка на рибосоме. И поскольку с момента открытия антибиотиков такая гонка вооружений практически ни на минуту не останавливалась, то есть с появлением новых терапевтических средств бактерия вырабатывает новые способы обхода, вырабатывает устойчивость к антибиотикам, то на этом процессе фактически невозможно поставить точку. И мы оказываемся перед необходимостью постоянно усовершенствовать набор этих антибактериальных веществ. В связи с этим исследования молекулярного механизма биосинтеза белка по-прежнему сохраняют актуальность. Я должен сказать, что структурные исследования с применением методов рентгеновской кристаллографии или более современного метода криоэлектронной микроскопии на самом деле позволили очень сильно продвинуться в нашем понимании того, как те или иные антибиотики действуют на рибосомы, как они ингибируют индивидуальные реакции, в каких сайтах они связываются и так далее.

Но наряду со структурными методами очень важную роль играют функциональные исследования — назовем их даже механистическими, когда мы можем воссоздать белоксинтезирующую систему в пробирке, собрав просто из индивидуальных очищенных компонентов эту систему. И тогда мы можем посмотреть, какую именно реакцию ингибирует тот или иной антибиотик, и можем постараться ответить на вопрос, каков же детальный молекулярный механизм.

Что еще привлекает внимание исследователей в области биосинтеза белка на сегодняшний день? Мы очень хорошо знаем правильный цикл биосинтеза белка. То есть биосинтез белка начинается с инициации. После этого следует множество раундов элонгации, в течение каждого из которых рибосома добавляет к растущему полипептиду аминокислоты одна за другой, и после этого, когда мы доходим до стоп-кодона, происходит терминация, и синтез белка прекращается. Все компоненты белоксинтезирующей машины разбираются и могут быть использованы в следующем раунде. Но сейчас наступило то время, когда мы можем исследовать так называемые редкие события трансляции, такие как сдвиг рамки считывания или рекодирование, когда тот или иной кодон декодируется иначе. Один из ярких примеров — это встраивание 21-й аминокислоты селеноцистеина, которое на самом деле происходит не в соответствии с одним из смысловых кодонов, а в соответствии с одним из стоп-кодонов (УГА), и, несмотря на то что это событие является редким, клетка на самом деле нуждается в так называемых селенобелках, пусть даже их требуется всего несколько копий на одну живую клетку.

Другим примером редких событий трансляции является так называемое трансляционное шунтирование, или translational bypassing, когда рибосома, доходя до определенного участка мРНК, пропускает несколько десятков нуклеотидов, не декодируя их, и после этого возобновляет синтез белка, синтезируя белок с двух непоследовательных рамок считывания. Почему на сегодняшний момент рибосома является одним из прекрасных объектов исследований? С одной стороны, основные реакции, которые катализирует рибосома, которые обеспечивают весь биосинтез белка, довольно хорошо изучены. С другой стороны, знание детального молекулярного механизма позволяет нам приблизиться к пониманию этих структурно-функциональных аспектов. Мы можем изучать, как движение тех или иных частей такого большого комплекса обеспечивает функционирование рибосом.

То есть рибосома выполняет довольно большое количество функций. Это и информационная, когда в декодирующем центре должно быть обеспечено распознавание следующего кодона и точное декодирование, то есть обеспечение соответствия аминокислоты и кодона мРНК. С другой стороны, рибосома должна выполнять некие механические функции, то есть в процессе транслокации этот комплекс должен обеспечить синхронное и точное продвижение двух молекул транспортных РНК внутри рибосомы и обеспечить продвижение матричной РНК.

Понятно, что если происходит неправильная транслокация, происходит некий сдвиг рамки считывания, то это приведет к тому, что-либо синтезируемый белок будет неправильным, либо синтез будет преждевременно прерван, либо этот белок может оказаться токсичным для клетки. Так или иначе, ресурсы будут потрачены впустую, что может привести к гибели клетки. В настоящий момент вся совокупность методов, применяющихся при изучении аппарата биосинтеза белка (это и структурные методы, о которых я говорил, и функциональные методы), позволяет нам, собрав всю эту совокупность данных, построить наши довольно точные представления о детальном молекулярном механизме биосинтеза белка и о молекулярном механизме действия антибиотиков, которые ингибируют те или иные реакции.

И, с одной стороны, это важно для нас, потому что мы понимаем, как устроена такая сложная машина, мы понимаем, как действуют те или иные молекулярные механизмы, а с другой стороны, это позволяет нам использовать наши знания для дизайна новых классов антибиотиков, для разработки новых ингибиторов, которые будут необходимы для терапии тех или иных заболеваний, которые вызывают болезнетворные бактерии. То есть в настоящий момент нельзя сказать, что эти исследования даже прокариотического аппарата биосинтеза белка подходят к концу. Я думаю, что в ближайшем будущем мы увидим еще очень много ярких работ, которые покажут нам изящные механизмы, как рибосома реализует те или иные функции. Но это то, что касается прокариотического аппарата биосинтеза белка.

А исследования в области изучения эукариотических рибосом, то есть того, как в клетках высших организмов происходит биосинтез белка, еще только начинаются, и мы находимся в начале большого и очень интересного пути.