Найти множество новых антибиотиков и разобраться в причинах болезни Паркинсона возможно в результате улучшения понимания механизма синтеза белка, что может следовать из работы группы ученых при участии сотрудников МГУ: они экспериментально доказали, что биосинтез белка в митохондриях пекарских дрожжей может эффективно проходить без участия компонента, который раньше считался абсолютно необходимым.
Ученые с кафедры молекулярной биологии МГУ идентифицировали третий фактор инициации трансляции у грибов и, изучая его роль в клетках пекарских дрожжей вместе с коллегами из Швеции, сделали неожиданное открытие. Ознакомиться с ним можно в статье, опубликованной 5 января в журнале Scientific Reports (Nature).
Превращение информации, записанной в генах на языке нуклеотидного шифра, в материальную работающую структуру — белок — происходит в несколько этапов. Сначала генетический код переписывается с молекулы двуцепочечной ДНК, находящейся в ядре, на более короткую одноцепочечную матричную РНК (этот процесс называется транскрипцией). Затем РНК претерпевает некоторые изменения и выходит через поры в ядерной оболочке «в открытое плавание» — в цитоплазму. Там и происходит трансляция — сборка белка из аминокислот, каждой из которых соответствует несколько вариантов трехбуквенного кода матричной РНК.
Считывает этот код состоящая из двух субъединиц структура — рибосома, а доставкой строительного материала — аминокислот — занимаются специальные транспортные РНК . Присоединив аминокислоту, рибосома сдвигается на один «шаг» (следующие три буквы) по цепи РНК.
Существуют специальные молекулы, дающие рибосоме «отмашку» сомкнуть две свои части на РНК и начать работу. Это белки, называемые факторами инициации трансляции.
У прокариот (организмов без ядра — бактерий и архей) их всего три: IF1, IF2, IF3. Эукариоты (ядерные организмы, к которым относятся и люди) устроены гораздо сложнее и имеют более 20 факторов инициации трансляции.
Самоуправление для аннексированных
Особняком в этом списке стоят митохондрии — органеллы, выполняющие роль энергетической станции эукариотических клеток. Считается, что их предками были прокариоты, съеденные, но по каким-то причинам не переваренные предшественниками современных эукариот. В процессе эволюции митохондрии утратили многие функции бывших прокариот, помогавшие им жить на свободе. Но даже в таком состоянии митохондрии сохранили следы былой самостоятельности: они имеют свою ДНК, отличающуюся от ядерной, и собственные рибосомы, более похожие на бактериальные Это позволяет им синтезировать белки, работающие в митохондриях, которые сама клетка делать не умеет.
Поскольку митохондрии ближе к прокариотам, предполагалось, что и трансляция у них происходит сходным образом. До недавнего времени были открыты три или, у некоторых групп организмов (например, у грибов), два митохондриальных фактора инициации трансляции (mtIF1, mtIF2 и mtIF3), аналогичные прокариотическим.
В 2012 году ученые с кафедры молекулярной биологии МГУ идентифицировали третий фактор инициации трансляции и у грибов, а позднее, изучая его роль в клетках пекарских дрожжей вместе с коллегами из Швеции, сделали неожиданное открытие. Ознакомиться с ним можно в журнале Scientific Reports.
Среди авторов работы трое сотрудников МГУ. Младший научный сотрудник Антон Кузьменко — первый автор работы, именно он выполнил все основные эксперименты. Аспирант Ксения Дербикова — второй автор в списке, она помогала Антону в его опытах, а также самостоятельно провела часть контрольных экспериментов, которые были необходимы для корректной интерпретации результатов. Ведущий научный сотрудник Петр Каменский является одним из двух координаторов исследования, он планировал эксперименты, анализировал их результаты и готовил их к печати.
Вместо смерти — разрушение гармонии
Эксперимент, который должен был лишь доказать, что без третьего фактора инициации трансляции процесс не запускается (как и во всех известных системах), дал совсем иные результаты.
Ученые «вырезали» ген, кодирующий белок mtIF3, а на его место вставили ген устойчивости к антибиотику, добавленному к питательной среде, куда высевали клетки, чтобы все клетки, в которых ген не был вырезан, погибли.
Чтобы оценить именно митохондриальную трансляцию, трансляция внутри эукариотической клетки была отключена с помощью другого антибиотика, циклогексимида, неспособного, проникать внутрь митохондрий. Затем в среду была добавлена радиоактивно меченая аминокислота метионин, чтобы отличить белки, синтезированные только в митохондриях, от всех остальных, которые могли быть произведены в клетке до отключения трансляции вне ядра. А поскольку в митохондриях дрожжей синтезируется всего 8 белков, их наличие нетрудно проследить визуально с помощью белкового электрофореза — прогона молекул под действием электрического тока через поры в геле (наиболее короткие «убегут» дальше, а длинные будут «ползти» медленнее и останутся ближе к точке «старта»).
«Фактически, этот эксперимент был необходим только для нашего внутреннего спокойствия. Однако он привел к крайне неожиданным результатам: никакой остановки трансляции в дрожжевых митохондриях в отсутствие mtIF3 не произошло! Биосинтез белка в этих условиях шел, в целом, примерно с той же эффективностью, что и в нормальных дрожжевых митохондриях, но был сильно «разбалансирован». Другими словами, некоторых митохондриальных белков в отсутствие mtIF3 действительно становилось меньше, зато количество других вырастало в несколько раз!», — утверждает Петр Каменский.
Скорее всего, mtIF3 имеет и другие функции в клетке, как-то координируя соотношение производимых в митохондриях белков. Как сообщили российские биологи в своей статье, предыдущие исследования нашли связь нарушения этого баланса у человека с болезнью Паркинсона. Мутации, которые дестабилизируют mtIF3, также встречаются у пациентов с этим заболеванием. Это означает, что изучение работы митохондриального фактора инициации трансляции-3 у млекопитающих может помочь дополнить картину молекулярного механизма формирования болезни Паркинсона и найти новые способы лечения.
Вопросы к грядущему
Данное открытие, как это часто бывает, спровоцировало поток новых вопросов, которые ждут тщательного исследования. «Во-первых, каким образом дрожжевые митохондрии обходятся без фактора инициации? Может быть, вместо него начинает в больших количествах синтезироваться какой-нибудь другой белок, который функционально заменяет его? Или происходит что-то еще? Как говорится, будем разбираться, — комментирует достижение своей группы один из двух координаторов работы, Петр Каменский. — Второй вопрос не менее интересен. Как уже отмечалось выше, в отсутствии mtIF3 митохондриальная трансляция “разбалансируется”: некоторых белков становится меньше, а некоторых — больше. Выходит, что наш mtIF3 по-разному влияет на биосинтез каждого конкретного белка? Таких случаев раньше описано не было, и здесь, конечно же, необходимо досконально все выяснить».
Однако помимо своей глубокой фундаментальной значимости, работа по изучению механизмов трансляции имеет и возможность практического применения. И это не только описание уже упомянутой связи с болезнью Паркинсона, но и создание модельной системы митохондриальной трансляции трансляции in vitro («в пробирке»), подобные которой, уже давно разработанные для эукариотических и бактериальных клеток, помогают ученым тестировать лекарства и ставить другие эксперименты.