Поиск - новости науки и техники

Помехи при трансляции. Предотвратить мутации в организме можно еще на стадии эмбриона.

Происходящее внутри живой клетки вызывает изумление даже у самых искушенных ученых. Некоторые из них признавались, что именно невероятная сложность и слаженность процессов в ней заставила их поверить в Бога. Не может такой безум­но сложный и в то же время предельно согласованный мир возникнуть просто так, без высшего творческого участия. Но, несмотря на случающиеся внутренние сомнения, ученые продолжают изучать мир, который запрятан глубоко в нас и благодаря которому мы живем, думаем, развиваемся. Работа одного из таких исследователей – научного сотрудника Института химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ) СО РАН кандидата химических наук Юлии БАРТУЛИ – получила государственную поддержку в виде гранта Президента РФ. Наш корреспондент попросил молодого ученого помочь ему разобраться в очень непростой теме.

– Все процессы жизнедеятельности клетки зависят от набора имеющихся в ней белков, – рассказывает Юлия Сергеевна. – Они выполняют разные функции – катализируют протекание всех биохимических реакций, образуют цитоскелет, поддерживающий форму клеток, и играют ключевую роль в клеточном цикле, сигнальных системах клеток и при иммунном ответе. Информация об аминокислотных последовательностях белков организма закодирована в геномной ДНК, и их синтез из мономеров – аминокислотных остатков – это последний этап реализации генетической информации. Во всех организмах, от бактерий до человека, он осуществляется на рибосоме – одной из самых сложно устроенных молекулярных машин в клетке. Генетическая информация копируется в виде матричной РНК (мРНК), которая поступает в рибосому, где происходит перевод (трансляция) генетической информации с языка последовательности нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислотных остатков белка. Перевод осуществляется в соответствии с универсальным для всех организмов генетическим кодом, согласно которому каждой последовательности из трех нуклеотидов мРНК (кодону) соответствует одна из 20 аминокислот.
Рибосома состоит из рибосомных РНК (рРНК) и нескольких десятков рибосомных белков. Ее способность синтезировать белок по программе, записанной в мРНК, с высокой точностью (вероятность встраивания в белковую цепь неправильного аминокислотного остатка составляет 1 к 10 000) достигается за счет уникальной пространственной структуры и скоординированной работы всех структурных элементов рибосомы. Сегодня строение рибосом изучено с помощью различных методов, включая рентгеноструктурный анализ и низкотемпературную электронную микроскопию высокого разрешения. За расшифровку структуры рибосомы бактерий в 2009 году была присуждена Нобелевская премия в области химии. Рибосома – самый сложный надмолекулярный комплекс, структуру которого удалось расшифровать с разрешением почти до отдельных атомов. Несмотря на это, молекулярные механизмы их функционирования до конца не выяснены. В частности, не совсем понятно, как рибосомам удается с такой эффективностью и точностью синтезировать белок, и остается много вопросов, связанных с регуляцией белкового синтеза. 
– Какую роль играют рибосомные белки? 
– Каталитическая функция рибосомы – соединение аминокислотных остатков в белковую цепь согласно программе, записанной в мРНК. Это обеспечивается скоординированной работой нескольких функциональных центров рибосомы, предназначенных для связывания различных участников процесса трансляции. Участники – это мРНК, несущие генетическую информацию, транспортные РНК (тРНК), доставляющие на рибосому аминокислотные остатки для синтеза белка (каждая тРНК “возит” один строго определенный аминокислотный остаток), и белки-ассистенты, которые называются факторами трансляции. 
На первой стадии трансляции – инициации – соответствующие факторы помогают собрать комплекс рибосомы, где стартовый кодон мРНК взаимодействует с антикодоном тРНК, несущим первый аминокислотный остаток (всегда метионин). Следующий за стартовым кодон при этом располагается в декодирующем центре рибосомы и готов для связывания с вновь поступающей тРНК, несущей аминокислотный остаток. Далее происходит элонгация (удлинение) пептидной цепи, в результате которой рибосома последовательно присоединяет аминокислотные остатки к растущей полипептидной цепи в соответствии с программой, записанной в мРНК. Завершение элонгации, или терминация трансляции, наступает, когда в декодирующем центре оказывается стоп-кодон мРНК, которому не соответствует никакая аминокислота. Тогда в этом центре вместо тРНК связываются два белковых высвобождающих фактора (по-английски – releasing factors). Один из них запускает гидролиз сложноэфирной связи между тРНК и С-концом синтезированного полипептида, тем самым высвобождая белок, а другой использует энергию, полученную за счет гидролиза ГТФ (гуанозинтрифосфата – аналога АТФ, универсального аккумулятора энергии в клетке), для диссоциации рибосомного комплекса на составляющие компоненты. 
В конце XX века обнаружили, что каталитическую функцию рибосомы, благодаря которой она способна соединять аминокислотные остатки друг с другом, осуществляет рРНК, а не белки. После этого какое-то время считалось, что рРНК играет главную роль в работе рибосомы, а белки нужны лишь для поддержания ее правильной структурной организации. Однако в последние годы стало ясно, что работа рибосомы обеспечивается высокоскоординированными взаимодействиями между рибосомными белками и рРНК. Более того, оказалось, что многие белки непосредственно вовлечены в формирование таких функциональных центров рибосомы, как декодирующий центр, участок входа мРНК в рибосому, и других.
– Что включает круг ваших исследований?
– Известно, что многие рибосомные белки могут находиться не только в составе рибосомы, но и в свободном состоянии (вне рибосомы), выполняя самые разные функции в клетке, не связанные непосредственно с трансляцией. Научная проблема, на решение которой направлено наше исследование, связана с пониманием специфических функций ряда рибосомных белков человека, которые они выполняют, находясь в составе рибосомы или вне ее. К числу таких функций относится, в частности, избирательная регуляция трансляции мРНК, кодирующих определенные клеточные белки. Понимание механизмов, лежащих в основе такой регуляции, позволит влиять на их биосинтез в клетке. Уже известно, что от того, насколько эффективно происходит биосинтез таких специфических полипептидов в клетке, могут зависеть многие процессы в организме – от противодействия инфекции до правильного формирования органов в ходе эмбрионального развития. 
Например, один из объектов нашего исследования – рибосомный белок, в гене которого мутации вызывают аномалии в развитии осевого скелета у млекопитающих. Оказалось, что присутствие такого “испорченного” белка в клетках приводит к понижению эффективности трансляции особого класса мРНК, кодирующих полипептиды, ответственные за развитие скелета. Наша задача – определить мРНК, трансляция которых зависит от уровня этого рибосомного компонента в клетке, и установить молекулярные механизмы, посредством которых он влияет на трансляцию таких мРНК. Аналогичные исследования планируется провести с другим компонентом рибосомы, который вовлечен во многие клеточные процессы, включая канцерогенез и ангиогенез, при котором происходит образование сосудов в органах и тканях. 
Кроме того, в ходе исследований мы попытаемся выяснить, контактируют ли рибосомные белки непосредственно с теми мРНК, на чей уровень трансляции они влияют, и, если такое взаимодействие реализуется, определить тонкую структуру участков связывания (то есть идентифицировать нуклеотидные и аминокислотные остатки, формирующие область контакта). 
Мы провели необходимую подготовительную работу и получили генетические конструкции, которые в дальнейшем позволят нам повышать или понижать содержание интересующих нас рибосомных белков в клетках человека и оценивать их влияние на эффективность трансляции некоторых спе­цифических мРНК.
– Что нового в ваших исследованиях и каким может быть их практическое применение?
– Ключевая особенность исследований в том, что для решения поставленных задач мы планируем использовать один из самых современных подходов, так называемый метод рибосомного профайлинга, позволяющий получать как бы “одномоментный снимок” всех молекул мРНК, которые в настоящий момент транслируются рибосомами в клетке. Этот метод включает высокопроизводительное геномное секвенирование последнего поколения, которое дает возможность одновременно определять последовательности миллиардов мРНК. Использование такого подхода позволит нам узнать, как изменение количества конкретного рибосомного белка в клетке будет влиять на трансляцию определенных мРНК. 
Полученная информация поможет выявить взаимосвязь между конкретным рибосомным белком и набором мРНК, чья трансляция зависит от его концентрации в клетке. Это в совокупности с данными об участках связывания в мРНК и белках (изолированных или в составе рибосомы) позволит пролить свет на молекулярные механизмы, обеспечивающие регуляторную роль этих белков в трансляции специфических мРНК. 
Новые знания, безусловно, будут способствовать разработке инновационных подходов к повышению эффективности трансляции определенных мРНК и подавлению трансляции “нежелательных” для клетки мРНК, а в перспективе позволят наметить подходы для исправления патологий, вызванных нарушениями в работе рибосомных белков.
– Что, по вашему мнению, помогло вам выиграть конкурс на получение гранта президента? 
– Начиная с преддипломной практики я работаю в лаборатории структуры и функции рибосом ИХБФМ СО РАН, возглавляемой профессором Галиной Георгиевной Карповой, одним из ведущих специалистов в мире по изучению молекулярных механизмов белкового синтеза у высших организмов с использованием химических и биохимических подходов. Работа на самом переднем крае науки позволила мне за восемь лет получить хороший кругозор в области молекулярной биологии, освоить многие современные методы и стать соавтором ряда публикаций в престижных международных журналах с высоким импакт-фактором. Эти публикации хорошо известны специалистам и цитируются международным научным сообществом. Думаю, что все это в совокупности с интересной научной задачей, которой посвящен мой проект, и способствовало тому, что моя заявка была поддержана.
Беседу вел 
Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено Ю.Бартули
 

На нижнем фото: Кристаллографическая структура бактериальной рибосомы

Нет комментариев