Учёные впервые в реальном времени наблюдали сборку рибосомы
Учёные из Scripps Research и Стэнфордского университета впервые зафиксировали в реальном времени ключевой этап сборки рибосом — сложных и эволюционно древних «молекулярных машин», синтезирующих белки в клетках и необходимых для всех форм жизни.
Это достижение, описанное в журнале Cell, раскрывает в беспрецедентных деталях, как цепочки рибонуклеиновой кислоты (RNA), которые по своей природе «липкие» и склонны к неправильному сворачиванию, «шаперонируются» рибосомальными белками для правильной укладки и формирования одного из основных компонентов рибосом.
Результаты опровергают давнее представление о том, что рибосомы собираются в жёстко контролируемом пошаговом процессе.
«Вопреки доминировавшей в этой области теории, мы обнаружили гораздо более хаотичный процесс, — говорит профессор Джеймс Р. Уильямсон. — Это не отлаженная сборочная линия в Детройте, это скорее биржевая яма на Уолл-стрит».
Для исследования лаборатория Уильямсона сотрудничала с лабораторией Джозефа Пульязи из Стэнфордского университета. Хотя работа является значительным достижением фундаментальной биологии, она открывает возможности для важных медицинских разработок. Например, некоторые современные антибиотики работают, ингибируя бактериальные рибосомы; новое исследование открывает путь к созданию антибиотиков, которые будут более специфично воздействовать на бактериальные рибосомы, что снизит побочные эффекты.
В более широком смысле, исследование предлагает биологам новый мощный подход к изучению молекул RNA, сотни тысяч которых активны в любой момент в типичной клетке.
«Это показывает, что теперь мы можем детально изучать, как молекулы RNA сворачиваются в процессе их синтеза и сборки на них белков, — говорит первый автор работы Оливье Дюсс. — Это было очень сложно изучать в биологии, поскольку процесс включает несколько различных, взаимозависимых биологических процессов, которые необходимо детектировать одновременно».
Команда использовала передовую технологию визуализации — «одномолекулярную флуоресцентную микроскопию с волноводом нулевой моды», адаптированную в последние годы для отслеживания RNA и белков в реальном времени. Рибосомы состоят как из RNA, так и из белков, что отражает молекулярное партнёрство, уходящее корнями почти к зарождению жизни на Земле.
В пилотном исследовании, опубликованном в прошлом году, учёные использовали свой подход, чтобы зафиксировать раннюю, краткую и относительно хорошо изученную стадию сборки рибосомы у бактерии E. coli. Это включало транскрипцию (синтез) рибосомальной RNA с соответствующего гена и начальные взаимодействия этой цепочки RNA с рибосомальным белком.
В новом исследовании команда расширила подход, отслеживая не только транскрипцию рибосомальной RNA, но и её сворачивание в реальном времени. Работа дала детальное представление о сложной и до сих пор загадочной части сборки рибосомы E. coli — формировании целого крупного компонента (домена) рибосомы E. coli при содействии восьми белков-партнёров, которые в итоге встраиваются в структуру.
Ключевым открытием стало то, что белки-партнёры направляют сворачивание цепочки RNA через множественные временные взаимодействия с ней задолго до того, как занимают свои окончательные позиции в сложившейся молекуле RNA-белок. Результаты также указывают на существование неизвестных факторов сборки RNA (вероятно, белков), которых не было в лабораторных условиях эксперимента, но которые присутствуют в клетках и повышают эффективность сворачивания RNA.
«Наше исследование показывает, что в сворачивании рибосомальной RNA, и, возможно, в сворачивании RNA в клетках в целом, многие белки помогают укладке RNA через слабые, временные и полуспецифичные взаимодействия с ней», — отмечает Дюсс.
Теперь команда сможет продолжить это исследование, чтобы изучить не только остальные этапы сборки рибосомы (с участием множества цепочек RNA и десятков белков), но и многие другие типы сворачивания RNA и взаимодействий RNA-белок в клетках.
В перспективе это исследование даст понимание того, как молекулы RNA сворачиваются неправильно и как можно исправить такие ошибки. Учёные полагают, что многие заболевания связаны или потенциально могут быть связаны с неправильным сворачиванием и обработкой RNA в клетках.
Также могут быть улучшены методы лечения, уже нацеленные на рибосомы. Некоторые современные антибиотики, включая класс аминогликозидов, работают, связываясь с участками бактериальных рибосом, которых нет на человеческих рибосомах. Эти препараты могут иметь побочные эффекты, поскольку также нарушают работу рибосом «хороших» бактерий, например, в кишечнике.
«Когда мы более полно поймем, как собираются и функционируют бактериальные рибосомы, мы потенциально сможем воздействовать на них таким образом, чтобы влиять на более узкую группу вредных видов бактерий и щадить хорошие, снижая побочные эффекты для пациентов», — говорит Дюсс.
Поскольку рибосомы функционируют как фабрики по производству белков, они также критически важны для выживания быстрорастущих опухолевых клеток. Несколько классов противораковых препаратов уже работают, так или иначе замедляя образование рибосом. Более глубокое понимание сборки человеческой рибосомы, в принципе, позволит более точно и эффективно нацеливаться на этот процесс, чтобы блокировать рост рака, отмечает Дюсс.
Соавтором исследования «Transient Protein-RNA Interactions Guide Nascent Ribosomal RNA Folding» была Галина Степанюк из Scripps Research.