Белок намеренно прекращает собственный синтез, дестабилизируя синтезирующий аппарат — рибосому

Совместная исследовательская группа Токийского технологического института (Tokyo Tech) и Университета Кёто Сангё обнаружила, что белок в процессе своего синтеза может дестабилизировать структуру рибосомы и преждевременно завершить собственный синтез. Было установлено, что это явление используется клеткой для адаптации к окружающей среде.

Основное достижение исследования

Группа под руководством Хидэки Тагути (Tokyo Tech) и Кореаки Ито (Университет Кёто Сангё) обнаружила, что в реконструированной бесклеточной системе трансляции E. coli синтез белков, содержащих последовательности из примерно десяти кислых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой) или последовательности, в которых кислая аминокислота и аминокислота пролин чередуются, останавливается на середине процесса. Это абортивное событие происходит, когда рибосомы, синтезирующие такую аминокислотную последовательность, дестабилизируются под действием nascent chain (растущей полипептидной цепи). Исследователи обозначили это явление как IRD ("intrinsic ribosome destabilization" — внутренняя дестабилизация рибосомы). В результате рибосома распадается на большую и малую субъединицы.

Открытие IRD, при котором рибосома дестабилизируется во время трансляции под действием nascent chain, которую она сама синтезирует, указывает, что трансляция протекает с потенциальным риском преждевременного прекращения. Белки, содержащие аминокислотные последовательности, запускающие IRD, не могут завершить свой синтез.

Биологическая роль и механизм адаптации

Исследователи обнаружили, что живые организмы обладают механизмом противодействия IRD. Используя мутант E. coli, лишённый этого механизма (с несколько дестабилизированными рибосомами, склонными к IRD), команда проанализировала весь клеточный протеом. В мутанте количество многих белков отличалось от дикого штамма. В частности, мембранный белок MgtA, транспортирующий ионы магния в клетку, экспрессировался более чем в 10 раз больше.

Оказалось, что ген mgtL, регулирующий экспрессию MgtA, содержит последовательность, вызывающую IRD. Анализ показал, что E. coli регулирует экспрессию MgtA с помощью специального механизма, использующего явление IRD из-за последовательности mgtL, в ответ на изменения концентрации магния в клетке.

Ионы магния необходимы для многих жизненных процессов, в частности, для стабилизации рибосомы во время трансляции. Полученные данные позволяют предположить, что E. coli приобрела механизм поддержания внутриклеточной концентрации ионов магния, используя способность mgtL вызывать IRD для экспрессии большого количества MgtA, когда среда роста становится бедной магнием. Таким образом, живой организм использует явление IRD для мониторинга изменений внутриклеточной среды.

Значение и перспективы

Это исследование показало, что аминокислотные последовательности, помимо информации, определяющей трёхмерную структуру белков, также обладают способностью влиять на стабильность синтезирующего аппарата и в конечном итоге прерывать трансляцию. Это углубляет наше понимание основ жизненных процессов, поддерживаемых регулируемой экспрессией генетической информации.

Преждевременное прекращение трансляции ранее не рассматривалось как жизненно важный процесс в биологических науках. Авторы полагают, что их достижение может быть расширено для различных применений, таких как производство новых полезных белков или разработка биопрепаратов.