Биологи из МГУ выяснили, как начинает синтезироваться белок в живой клетке

Ученые из МГУ имени М.В.Ломоносова под руководством Сергея Дмитриева (НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ) прояснили, как живая клетка решает, откуда начать синтез белка. Исследование было опубликовано в журнале Nucleic Acids Research (импакт-фактор 9.1).

Трудности перевода 

Существенная доля нашей генетической информации, закодированной в ДНК, реализуется в живой клетке в виде белков. Для того, чтобы синтезировать нужный белок, эту информацию нужно перевести из последовательности нуклеотидов на язык аминокислот. Эта стадия преобразования называется трансляцией, и участвует в ней не ДНК, а матричная РНК — «временный носитель», на котором находится копия одного конкретного гена. Специальная молекулярная машина — рибосома — движется по матричной РНК и считывает тройки нуклеотидов, каждая из которых кодирует ту или иную аминокислоту.

Сложность заключается в том, что нуклеотиды матричной РНК просто следуют один за другим, и рибосома должна определить, с какого места ей необходимо начинать считывание. Если же первая тройка нуклеотидов будет выбрана неверно, рибосома начнет синтезировать неправильный белок, который окажется бесполезным или даже токсичным для клетки.

Сканирование и соскальзывание

«Для решения этой проблемы существует специальный механизм — рибосомное сканирование, — говорит Илья Теренин, соавтор работы. — Сначала малая субчастица рибосомы, нагруженная специальными белками, связывается с концом матричной РНК (которую можно сравнить с "ксерокопией" текста, записанного в ДНК: это как бы “инструкция” по сборке белковой молекулы). Затем рибосома начинает перемещаться по мРНК, «просматривая», как на конвейере, один за другим все встречающиеся ей тройки нуклеотидов. Как правило, в качестве точки старта используется тройка нуклеотидов «аденин-урацил-гуанин» (AUG). Когда рибосома находит его, она останавливается и начинает синтез белка. Ранее считалось, что обнаружение AUG — единственное и важнейшее событие, приводящее к началу синтеза с нужной точки, однако мы обнаружили, что это далеко не всегда так».

Когда малая субчастица встречает тройку нуклеотидов AUG, она может начать сборку белковой молекулы (инициировать трансляцию), а может и не начать. Это зависит от того, какой набор белков-помощников будет в ее распоряжении. Эти специальные белки так и называются — факторы инициации трансляции (сокращенно — eIF). Они имеют номера: так, у эукариот (организмов с ядром в клетке, к которым относимся и мы с вами) один из самых важных факторов — второй, или eIF2. Он вместе с транспортной РНК привозит первый «кирпичик» белка — аминокислоту метионин. В конце к малой субчастице рибосомы должна присоединиться еще и большая. Когда все компоненты есть в клетке в нужных количествах, происходит гидролиз (разложение) молекулы гуанозинтрифосфата (ГТФ), что и служит сигналом к началу трансляции. Молекула ГТФ связана с фактором трансляции eIF2, но сам eIF2 гидролизовать ГТФ не может — для этого ему нужен еще один белок-помощник, eIF5. Наличие eIF5 в необходимой концентрации как раз и определяет, гидролизуется ли ГТФ.

«Как оказалось, если гидролиза не произойдет, то малая субчастица проигнорирует стартовый кодон AUG и проскользнет дальше, как ни в чем не бывало. Мы назвали это слайдингом (от англ. sliding — “соскальзывание”)», — подводит итог Сергей Дмитриев.

Слайдинг по-семейному 

Вышеизложенное можно попробовать объяснить следующей аналогией. Малая субчастица рибосомы — непоседливая младшая сестра в семье, которая в выходной встала раньше всех и хочет поиграть в конструктор — пособирать белок из аминокислот-деталек.

Большая субчастица — это старшая сестра, которая знает правила игры и умеет, в отличие от младшей, читать инструкцию по сборке красивых и сложных молекул, но устала за неделю и хочет выспаться. Она понимает, что младшая сестра будет плакать, если совсем не прийти к ней, и еще вчера пообещала с ней поиграть, поэтому поставила несколько будильников (троек нуклеотидов AUG).

Однако, как и все люди, которые ставят несколько будильников, она редко просыпается с первого раза, игнорируя сигнал AUG. Чтобы она проснулась и встала от очередного будильника, нужно успеть приготовить ее любимые блинчики на завтрак (гидролизовать ГТФ), которые своим запахом выманят соню из-под теплого одеяла. Папа (eIF2) тоже встает рано, он даже сходил в магазин за мукой (присоединил ГТФ), но печь блинчики он не умеет. Зато это умеет мама (eIF5), от которой и зависит успех всей затеи.

Таким образом, слайдинг — это игнорирование будильника. А когда все нужные факторы присутствуют, старшая сестра просыпается, ест и идет играть (собирать белки) с младшей сестрой.

Скользит и узнает

Открытие слайдинга опровергает устоявшееся мнение о том, что процесс выбора точки начала трансляции заканчивается на моменте распознавания точки старта синтеза. Решающим событием является не узнавание AUG, а гидролиз ГТФ.

Интересно, что примерно у половины матричных РНК стартовым кодоном является не первый AUG от конца молекулы, а второй, третий и даже более удаленный. До сих пор единственным объяснением этому было явление, именуемое в англоязычной литературе «leaky scanning» — при этом рибосома «проезжает» мимо первого AUG, не узнавая его. Однако leaky scanning требует, чтобы первый AUG находился в определенном нуклеотидном контексте, а это далеко не всегда так. Ученые показали, что возможно и другое объяснение: узнавание этих «преждевременных» AUG все-таки происходит, но после этого рибосома все равно оказывается на правильном стартовом кодоне благодаря открытому исследователями слайдингу.