Белки - это функциональные молекулы, поддерживающие жизнь, и представляют собой трехмерные структуры из полипептидных цепей, цепочек связанных аминокислот. Конфигурация аминокислот в этой цепи (последовательность) записана в последовательности ДНК. Полипептидные цепи образуются там, где рибосома, механизм синтеза белка, находится на копии последовательности ДНК (информационной РНК). Он начинает полимеризовать аминокислоты одну за другой, выбирая из 20 типов аминокислот для добавления в связь в соответствии с генетическим кодом. Он завершается в конечной точке, где цепь отделяется от рибосомы.
Процесс синтеза белка на рибосоме называется «трансляцией», и все белки всех живых организмов, включая человека, производятся посредством трансляции. Считалось, что в процессе связывания аминокислот на рибосоме непрерывно синтезируется вновь образованная полипептидная цепь (зарождающаяся цепь).
В недавних исследованиях, проведенных этой исследовательской группой и другими, стало очевидным, что флуктуация скорости происходит в значительной степени при трансляции - что некоторые зарождающиеся цепи, в зависимости от аминокислотной последовательности, действуют на рибосому, которая их формирует, замедляя вниз шаг перевода.
Исследовательская группа под руководством Хидэки Тагучи из Tokyo Tech и Кореаки Ито из Kyoto Sangyo University обнаружила, что, когда реконструированная бесклеточная система трансляции [2] E. coli была создана для трансляции белков, имеющих последовательности примерно из десяти кислые аминокислоты (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) или последовательности, в которых либо кислая аминокислота, либо аминокислота, называемая пролином, связаны попеременно, трансляция останавливается на полпути, когда такая последовательность была транслирована. Это неудачное событие происходит, когда рибосомы, синтезирующие аминокислотную последовательность, дестабилизируются в результате воздействия зарождающейся цепи (исследователи обозначают это «IRD»: «внутренняя дестабилизация рибосом»). В результате происходит расщепление рибосомы на большую и малую субъединицы. Считалось, что рибосома с ее ролью в синтезе нескольких тысяч или десятков тысяч типов белков внутри клетки отвечает за связывание любых комбинаций аминокислотных последовательностей. Однако открытие IRD, при котором рибосома дестабилизируется во время трансляции за счет зарождающихся цепей, которые она сама синтезирует, указывает на то, что трансляция является чем-то, что прогрессирует с потенциальным риском прерывания. Белки, в состав которых входят аминокислотные последовательности, запускающие IRD, не способны завершить свой синтез.
На первый взгляд этот феномен ИРД может показаться дефектом рибосомы, но что он означает для живых организмов?
Исследователи обнаружили, что живые организмы также обладают механизмом противодействия IRD. Это открытие побудило их использовать мутант E. coli, у которого отсутствует этот механизм, с рибосомами, таким образом, слегка дестабилизированными и склонными к IRD, и проанализировать весь белок внутри клетки (протеом). В результате команда обнаружила, что у мутанта клеточное количество ряда белков различается по сравнению с диким штаммом. В частности, было обнаружено, что MgtA, мембранный белок, который транспортирует ионы магния в клетки, экспрессируется более чем в десять раз сильнее. Интересно, что ген, названный mgtL и регулирующий экспрессию MgtA, имел последовательность IRD. Результат анализа показал, что E. coli регулирует экспрессию MgtA, используя особый механизм, характеризующийся феноменом IRD за счет последовательности mgtL, в ответ на изменение концентрации магния в клетке.
Ионы магния необходимы для многих жизненных процессов внутри клетки, требуется для трансляции, в частности, для стабилизации рибосомы. Таким образом, результаты этого исследования предполагают, что E. coli приобрела механизм поддержания концентрации ионов магния в клетке за счет использования IRD способности mgtL экспрессировать обилие MgtA, когда среда ее роста становится бедной магнием. Другими словами, живой организм обладает механизмом наблюдения за изменениями внутриклеточной среды, используя феномен IRD.
Будущие разработки
Это исследование показало, что аминокислотные последовательности не только содержат информацию, определяющую трехмерную структуру белков, но и обладают способностью влиять на стабильность синтезирующего их механизма и, в конце концов, прерывать трансляцию в середине цикла. Это способствует нашему пониманию основ жизненных процессов, которые поддерживаются регулируемым выражением генетической информации. Раннее преждевременное прекращение трансляции до настоящего времени не считалось жизненно важным процессом в науках о жизни. Тагучи и члены команды считают, что их достижения могут быть расширены, в сочетании с нынешним процветанием наук о жизни, для различных приложений, таких как производство новых полезных белков или разработка биофармацевтических препаратов.
[1] Рибосома: большой композит, состоящий из РНК и белка, который синтезирует белковые составляющие (полипептидные цепи). Он считывает последовательность нуклеотидов информационной РНК и выбирает из 20 типов аминокислот в соответствии с генетическим кодом сообщения, а затем соединяет их в указанном порядке.
[2] Восстановленная бесклеточная система трансляции: система синтеза белка in vitro, содержащая только очищенные компоненты, необходимые для синтеза белков.