Ученые визуализировали новые состояния трансляции рибосом с помощью крио-ЭМ

Структурные биологи из Медицинской школы Университета Массачусетса Андрей Короселев, Ph.D., и Анна Ловленд, Ph.D., в беспрецедентных деталях в реальном времени раскрыли стадии, на которых рибосомы синтезируют жизненно важные белки. Их новое исследование этого фундаментального молекулярного механизма, выполненное с использованием современной крио-электронной микроскопии с временным разрешением, опубликовано в журнале Nature 1 июля.

Рибосомы — это молекулярные машины, которые считывают генетические инструкции, переносимые матричной РНК (mRNA), и переводят их в белки, соединяя различные аминокислоты. (Аминокислоты доставляются к рибосомам соответствующими транспортными РНК [tRNAs].)

Исследовательская группа, включая бывшего постдока лаборатории Короселева Габриэля Демо, Ph.D., использовала крио-ЭМ для визуализации доставки tRNA, связанной с аминокислотой, к рибосоме. Визуализация структурных ансамблей в разные моменты времени предоставила беспрецедентный обзор полной реакции — от начального отбора до проверки tRNA и добавления аминокислоты к растущему белку.

Сравнение реакций с правильными и неправильными tRNAs показало, что малая субъединица рибосомы прочно удерживает правильную tRNA и вращается, позволяя ей переместиться в каталитический центр большой субъединицы. Напротив, малая субъединица почти не поддерживает неправильную tRNA после начального отбора, поэтому она отпадает, предотвращая добавление неправильной аминокислоты к растущему белку.

Крио-ЭМ — это прорывная технология для визуализации детальных клеточных структур, включая вирусы и рибосомы, с почти атомарным разрешением. В данном исследовании удалось наблюдать более детальные состояния, которые ранее были невидимы. Сравнивая правильную и неправильную реакции, можно увидеть, как рибосома способствует созданию правильных белков.

В клетке рибосомы могут соединять более десяти аминокислот в секунду, поэтому увидеть полную реакцию отбора tRNA, связанной с аминокислотой, с почти атомарной детализацией — сложная задача. Ловленд разработала подход для визуализации этих реакций с помощью крио-ЭМ, замедляя реакцию охлаждением на льду перед крио-ЭМ. Это позволило разрешить множество состояний без использования ингибиторов, что больше похоже на реальный процесс в клетке.

Эти исследования подчеркивают, что крио-ЭМ с высоким разрешением и временным разрешением может стать полноценным методом структурной биохимии для визуализации сложных биохимических путей без ингибиторов.

Среди многих потенциальных будущих применений метода — изучение того, как рибосомы движутся вдоль матричной РНК, считывая генетический код. Сдвиг рамки считывания, при котором рибосомы могут "проскальзывать" на вирусных mRNA, помогая вирусам создавать разные белки, важен для выживания и репликации некоторых вирусов, включая вирус COVID-19, и может стать мишенью для будущих лекарств.