Разгадана тайна предотвращения преждевременного высвобождения белка в клетках

от

Известно как центральная догма биологии: генетическая информация всех живых организмов хранится в ДНК, которая транскрибируется в РНК, а затем транслируется в белки, выполняющие почти все основные функции в клетке. Крошечная клеточная машина, называемая рибосомой, синтезирует белок до тех пор, пока не получит сигнал остановиться, после чего белок высвобождается в клетку в результате реакции с молекулой воды.

Но учёные долго ломали голову над одной деталью: если для высвобождения готового белка достаточно молекулы воды, почему это не происходит случайно?

Теперь исследователи из Университета Иллинойса в Чикаго раскрыли детальный химический механизм, лежащий в основе этого процесса. Исследование, опубликованное в журнале Science, помогает ответить на давний вопрос в биологии и проясняет, как все живые организмы осуществляют производство белков, один из важнейших процессов жизнедеятельности.

Как работает производство белков

ДНК можно сравнить с жёстким диском, на котором хранится генетическая информация организма в виде генов. Каждый ген содержит инструкции по созданию определённого белка, а белки контролируют большинство функций в клетке, будь то пищеварение в кишечнике, перенос кислорода в крови или сокращение мышц.

Но клетки не могут использовать эти инструкции напрямую. Сначала создаётся копия в виде матричной РНК (мРНК). Затем рибосома считывает эту мРНК и собирает соответствующий белок, соединяя аминокислоты в точной последовательности.

«Процесс создания белков абсолютно фундаментален для жизни», — сказал Юрий Поляканов, профессор биологических наук в Колледже свободных искусств и наук UIC и старший автор исследования.

В клетке рибосома и вспомогательные белки считывают «язык» нуклеотидов в мРНК и переводят его в «язык» аминокислот в белке. «Рибосома подобна клеточному 3D-принтеру, который фактически получает инструкции от генома и создаёт белок», — сказал Поляканов.

Рибосома прекращает «печать» нового белка, как только встречает в мРНК специальный сигнал, известный как стоп-кодон. В этот момент специальная вспомогательная молекула, называемая фактором высвобождения, входит в рибосому и запускает высвобождение готового белка из удерживающей его молекулы-носителя, называемой транспортной РНК (тРНК).

Этот заключительный этап включает в себя разрыв связи между готовым белком и тРНК посредством гидролиза — химической реакции с молекулой воды.

Открытие механизма высвобождения белка

Понимание того, когда прекращать «печать» белковой цепи, так же важно, как и понимание того, когда начинать, — сказал Поляканов. «Сбой в этом процессе может привести к довольно серьёзным последствиям», таким как производство дефектных или опасных белков. Например, мутации в стоп-кодонах могут привести к таким фатальным заболеваниям, как муковисцидоз или мышечная дистрофия Дюшенна.

Ранее исследователи не могли точно выяснить, что происходит во время этого процесса разрыва связи. Если для гидролиза нужна только вода, почему связь не разрывается спонтанно из-за случайной молекулы воды?

Некоторые предполагали, что именно молекула воды, которую переносит фактор высвобождения, инициирует разрыв. Однако этот процесс происходил слишком быстро, чтобы учёные могли его зафиксировать и изучить.

Поляканов и его лаборатория разработали технику создания молекулы, которая имитирует связь тРНК-белок, но не может быть разорвана молекулой воды — она «негидролизуема». Используя негидролизуемый имитатор, команда Поляканова сделала детальные снимки реакции высвобождения белка с помощью метода, называемого рентгеновской кристаллографией.

То, что они обнаружили, изменило широко принятое объяснение в учебниках: в нужном месте нет молекул воды, которые могли бы разорвать связь. Вместо этого фактор высвобождения заставляет тРНК изменить свою форму ровно настолько, чтобы высвободить свой скрытый химический потенциал. Небольшая часть тРНК достигает и разрывает связь, высвобождая готовый белок из рибосомы.

«Фактически это своего рода подталкивание или выбивание субстрата, чтобы способствовать гидролизу», — сказал Поляканов.

Это открытие объясняет, почему фактор высвобождения необходим для завершения процесса. Этот небольшой толчок гарантирует, что белки не высвобождаются преждевременно и имеют длину, строго определённую соответствующими генами.

Механизм высвобождения белка, обнаруженный исследователями UIC, по-видимому, работает во всех формах жизни — от бактерий до человека, сказал Поляканов. Это также подчёркивает точность и элегантность клеточного механизма.

«Мы выяснили, как на самом деле работает один из самых основных биологических процессов», — сказал Поляканов. «Дело не только в том, что фактор высвобождения приносит нужные ингредиенты; он перепозиционирует существующие части, чтобы система могла завершить работу самостоятельно».

Другие соавторы из UIC в статье — Елена Александрова и Егор Сыроегин.

Предоставлено Университетом Иллинойса в Чикаго.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте