Сборка белков для формирования более крупных макромолекулярных структур внутри клеток связана с рибосомами и, таким образом, с их синтезом посредством процесса трансляции. Это результат недавних исследований ученых из Вюрцбургского университета и Института биофизической химии им. Макса Планка (MPI) в Геттингене. В этом контексте рибосомы берут на себя роль «контрольной точки» качества: они следят за тем, чтобы вновь построенные белки напрямую загружались в производственные линии макромолекулярных комплексов. Исследователи опубликовали свои результаты в журналах Cell Reports и The EMBO Journal..
Играем в LEGO на молекулярном уровне
"Думайте об этом как о кирпичах LEGO на молекулярном уровне: один кирпич прикрепляется к другому, пока продукт не будет готов. Если использовать только один дефектный или неправильный кирпич, в результате все здание может быть скомпрометировано. " Профессор Утц Фишер заведует кафедрой биохимии в Вюрцбургском университете. В течение многих лет он исследует, как внутри клеток собираются так называемые «макромолекулярные машины». Его исследования сосредоточены на сплайсосомах: эти большие РНК-белковые комплексы являются неотъемлемой частью экспрессии генов в клетках. Их работа состоит в том, чтобы удалить те участки матричной РНК, которые не содержат информации, кодирующей белок, и объединить соответствующие участки, несущие эту информацию.
В своей последней работе группа Фишера с коллегами из Геттингена выяснила всю последовательность производства так называемых мяРНП, субъединиц, составляющих сплайсосомы, - от синтеза отдельных компонентов до их сборки и объединения в функционирующая машина. Они обнаружили в этом процессе до сих пор неожиданного участника: рибосому.
Роль рибосом
Рибосомы - это объекты, в которых генетическая информация (в форме мРНК) транслируется в белки. Как эти отдельные белки впоследствии собираются в макромолекулярные машины, до недавнего времени не было полностью расшифровано. Однако одно было несомненно: представление о том, что рибосомы выделяют отдельные белки внутрь клетки, где они блуждают в поисках соответствующего аналога, определенно не могло быть верным. «Внутри клеток слишком много людей для этого», - говорит Эшвин Чари, руководитель проектной группы MPI по биофизической химии. Белкам потребовалось бы слишком много времени, чтобы образовать комплексы; они застревают, образуя неправильные структуры, и объединяются, вызывая в худшем случае тяжелые заболевания, такие как болезнь Альцгеймера.
«Поэтому в живых клетках должен существовать механизм, который защищает вновь синтезированные белки на рибосоме и позволяет им связываться только с их правильным аналогом», - говорит Элхам Пакния, который экспериментально возглавлял весь проект.. Ученые впервые смогли доказать, что это предположение действительно верно. Соответственно, рибосома не высвобождает белки в цитозоль случайным образом после синтеза, а удерживает их до тех пор, пока специфические помощники, так называемые шапероны, не доставят соответствующие аналоги. При этом рибосома гарантирует, что образуется только одна предполагаемая структура, и поэтому берет на себя роль «инспектора качества» в дополнение к производству.
Огромные инвестиции в регулирование и контроль
"Чрезвычайно высокие критерии качества" являются основным принципом функционирования клеток, по мнению ученых. Им удалось продемонстрировать, что часто в сборке макромолекулярных машин участвует больше шаперонов, чем строительных блоков. Это также становится очевидным при рассмотрении энергетического баланса клетки: «Сам по себе катализ требует гораздо меньше ресурсов, чем регуляция и контроль», - говорит Утц Фишер..
Огромные усилия оправданы: например, ошибки при сборке сплайсосом вызывают спинальную мышечную атрофию. Расстройство характеризуется потерей двигательных нейронов, особенно в спинном мозге, вызывая атрофию мышц и паралич пораженных лиц. Также считается, что неправильное свертывание белков вызывает различные другие заболевания, от диабета до болезни Альцгеймера.
Общий принцип
Несмотря на то, что Фишер и его коллеги в Геттингене выяснили роль рибосомы в сборке макромолекул, используя строительные блоки сплайсосомы в качестве модельной системы, исследователи убеждены, что это не единичный случай. «У нас есть все основания полагать, что это общий принцип, - говорит Чари. В конце концов, другие макромолекулы тоже должны быть синтезированы в таких же тесных условиях с соблюдением самых высоких стандартов безопасности.