Связи из прошлого: Путешествие по истории синтеза белка

Генетическая информация, хранящаяся в ДНК, «декодируется» для образования белков в процессе трансляции. Это включает формирование пептидных связей между аминокислотами, связанными с молекулами транспортной РНК (тРНК), которые перемещаются по рибосоме в непосредственной близости друг от друга, удлиняя пептидную цепь.

  • В отличие от кодон-зависимого распознавания аминоацил-тРНК в малой субъединице рибосомы, образование пептидной связи происходит в пептидилтрансферазном центре (PTC) большой субъединицы неспецифичным к аминокислоте образом. Эта неспецифичность указывает, что большая субъединица эволюционировала раньше малой.

Хотя эволюционный процесс формирования PTC хорошо изучен, мало известно о том, как рибосомы развились в функционирующие сущности. Учёных долго ставил в тупик вопрос: почему тРНК для образования пептидной связи нуждаются в помощи «каркаса», который ориентирует их для взаимодействия через 3'-CCA последовательности на их акцепторных плечах.

Группа учёных под руководством профессора Кодзи Тамуры из Токийского университета науки решила эту загадку, используя перспективу непрерывности биологической эволюции. Их исследование, опубликованное в журнале Life, проливает свет на эволюционный аспект трансляции.

Ключевые эксперименты и результаты

Идея возникла после изучения кристаллической структуры комплекса 70S рибосомы с тРНК у бактерии Thermus thermophilus. CCA-концы тРНК в пептидильном (P-) и аминоацильном (A-) сайтах были сближены, что требовало наличия каркаса.

  1. Учёные использовали прародительскую тРНК или «РНК мини-спираль».
  2. Они попытались провести образование пептидной связи между двумя аланин-специфичными мини-спиралями в присутствии сегмента рибосомальной РНК.
  3. Пептидная связь образовалась с использованием сегмента P1c2 длиной всего 70 нуклеотидов в качестве РНК-каркаса.
  4. Добавление к P1c2 терминальной аминокислотной последовательности UGGU (P1c2UGGU) увеличило способность к образованию пептидной связи в 4.2 раза.
  5. Образование связи между двумя остатками аланина поддерживалось каркасом из димеризованного P1c2UGGU. Последовательность UGGU каркаса взаимодействовала с соответствующей 3'-концевой ACCA мини-спирали, сближая аминокислоты.

Эволюционные выводы

Результаты предполагают, что мини-спирали могли связываться с прародительским PTC.

«Функциональные взаимодействия между CCA тРНК и PTC могли быть «пересмотрены» в процессе эволюции. Хотя у современных рибосом нет непрерывной последовательности вроде UGGU, их взаимодействия «концептуально» схожи с эффектами, наблюдаемыми в нашем исследовании», — объясняет профессор Тамура.

Он добавляет, что мини-спиралевидные молекулы, формирующие часть каркаса для образования пептидной связи, могли не только способствовать эволюции современного PTC, но и сформировать сами молекулы тРНК (например, через взаимодействия «kissing-loop»).

Исследование открывает новые пути в эволюционной РНК-биологии и может помочь в изучении таких концепций, как «пептидные нуклеиновые кислоты» в качестве предшественников генетического материала.