Оптимизация для самопроизводства может объяснить ключевые особенности рибосом, клеточных фабрик по производству белка, сообщили исследователи из Гарвардской медицинской школы в журнале Nature 20 июля.
В новом исследовании группа под руководством Йохана Паулссона, профессора системной биологии Гарвардской медицинской школы, математически продемонстрировала, что рибосомы точно структурированы, чтобы производить дополнительные рибосомы как можно быстрее, чтобы поддерживать эффективный рост клеток и дивизия.
Теоретические предсказания исследования точно отражают наблюдаемые крупномасштабные особенности рибосом - показывая, почему они состоят из необычно большого количества небольших белков одинакового размера и нескольких нитей РНК, которые сильно различаются по размеру - и обеспечивают перспективу об эволюции исключительной молекулярной машины.
«Рибосома является одним из самых важных молекулярных комплексов во всей жизни, и она изучается в различных научных дисциплинах на протяжении десятилетий», - сказал Полссон. «Меня всегда озадачивал тот факт, что казалось, что мы можем объяснить его более тонкие детали, но у рибосом есть эти причудливые особенности, на которые нечасто обращали внимание, а если и обращались, то неудовлетворительным образом».
Каждая живая клетка, будь то отдельная бактерия или человеческий нейрон, представляет собой биологическую систему, столь же динамичную и сложную, как любой город. Внутри клеток находятся стены, дороги, электростанции, библиотеки, центры утилизации и многое другое, все вместе работающие в унисон, чтобы обеспечить продолжение жизни.
Подавляющее большинство этих бесчисленных структур состоит из белков. И эти белки производятся рибосомами.
Загадочные особенности
Хотя ученые открыли, как рибосомы превращают генетическую информацию в белки с атомарным разрешением, открыв молекулярную машину, точно настроенную на точность, скорость и контроль, неясно, какие преимущества заключаются в некоторых ее крупномасштабных функциях..
Рибосомы состоят из удивительно большого количества различных структурных белков - от 55 до 80, в зависимости от типа организма. Эти белки не просто более многочисленны, чем ожидалось, они необычно короткие и одинаковые по длине. Рибосомы также состоят из двух-трех нитей РНК, на долю которых приходится до 70 процентов общей массы рибосомы.
«Без понимания того, почему существуют коллективные признаки, это все равно, что смотреть на лес и понимать, как работают хлоропласты и фотосинтез, и не иметь возможности объяснить, почему там деревья, а не трава», - сказал Полссон.
Поэтому Полссон и его сотрудники Шломи Реувени, постдокторский научный сотрудник HMS, и Монс Эренберг из Упсальского университета в Швеции решили взглянуть на рибосомы в другом свете.
«Наш прорыв произошел, когда мы отошли от атома и посмотрели на рибосому с новой точки зрения», - сказал Реувени. «Мы думали о рибосоме не как о машине, производящей белки, а скорее как о продукте процесса производства белка».
Лес за деревьями
Чтобы клетка могла делиться, она должна иметь два полных набора рибосом, чтобы производить все белки, необходимые дочерним клеткам. Таким образом, скорость, с которой рибосомы могут создавать себя, накладывает жесткие ограничения на скорость деления клеток. Полссон и его коллеги разработали теоретические математические модели того, как должны выглядеть свойства рибосомы, если бы скорость была основным давлением отбора, движущим ее эволюцией.
Команда подсчитала, что распределение задачи создания новой рибосомы между множеством рибосом, каждая из которых производит небольшую часть конечного продукта, может увеличить скорость производства на целых 30 процентов, поскольку каждая новая рибосома помогает производить больше рибосом, как только они созданы, ускоряя процесс.
Это представляет собой огромное преимущество для клеток, которым необходимо быстро делиться, таких как бактерии. Однако для запуска процесса производства белка требуется время, и эти накладные расходы ограничивают количество белков, из которых может состоять рибосома, согласно математике.
Модели группы предсказали, что для максимальной эффективности самопроизводства рибосома должна состоять из 40-80 белков. Каждый из этих белков должен быть примерно в три раза меньше среднего клеточного белка, и все они должны быть примерно одинаковыми по размеру.
Оказывается, теория исследователей, разработанная совершенно независимо от лаборатории, точно отражает наблюдаемый белковый состав рибосомы.
«Аналогия наших открытий состоит в том, чтобы думать о рибосомах не как о группе плотников, которые просто строят много домов, а как о плотниках, которые также строят других плотников», - сказал Полссон. «Тогда появляется стимул разделить работу на множество мелких частей, которые можно выполнять параллельно, чтобы быстрее собрать другого полного плотника, который поможет в этом процессе."
Теория и реальность
Paulsson и его коллеги также исследовали рибосомную РНК, которая действует как структурный компонент и осуществляет ферментативную активность рибосомы по связыванию аминокислот в белки.
Их анализ показал, что чем больше РНК состоит из рибосомы, тем быстрее она может быть произведена. Это связано с тем, что клетки могут производить рибосомную РНК намного быстрее, чем белок. Таким образом, хотя считается, что РНК-ферменты менее эффективны, чем белковые ферменты, рибосомы вынуждены использовать как можно больше РНК, чтобы максимизировать скорость образования большего количества рибосом.
«Везде, где рибосоме может сойти с рук использование РНК, она должна использовать ее, потому что скорость собственного производства может быть удвоена или утроена», - сказал Полссон. «Даже если РНК уступает белку в ферментативной функции, использование РНК все равно дает большое преимущество, если клетка пытается производить рибосомы как можно быстрее."
Это наблюдение было предсказано в первую очередь для самопроизводящихся рибосом, согласно команде. Большинство других структур в клетке не продуцируются самостоятельно и могут пожертвовать скоростью производства ради стабильности и эффективности, обеспечиваемых использованием белка вместо РНК.
В совокупности теория команды точно предсказывает крупномасштабные особенности рибосомы, наблюдаемые во многих областях жизни. Это объясняет, почему самые быстрорастущие организмы, такие как бактерии, имеют самые короткие рибосомные белки и наибольшее количество рибосомной РНК. На противоположном конце спектра находятся митохондрии - электростанции эукариотических клеток, которые, как считается, когда-то были бактериями, вошедшими в постоянное симбиотическое состояние. Митохондрии имеют собственные рибосомы, которые сами себя не производят. Без этого давления митохондриальные рибосомы действительно состоят из более крупных белков и гораздо меньшего количества РНК, чем клеточные рибосомы.
«Когда мы начинали этот проект, у нас не было длинного списка функций, которые мы пытались объяснить с помощью теории», - сказал Реувени.«Мы начали с теории, и появились определенные особенности. Когда мы посмотрели на данные, чтобы сравнить их с тем, что предсказывала наша математика, мы обнаружили, что в большинстве случаев они соответствуют тому, что наблюдается в природе».
Вместо того, чтобы быть просто пережитком эволюционного прошлого, необычные свойства рибосом, таким образом, отражают дополнительный уровень функциональной оптимизации, воздействующий на коллективные свойства его частей, пишет команда.
«Хотя это исследование является фундаментальной наукой, мы обращаемся к тому, что является общим для всей жизни», - сказал Полссон. «Важно, чтобы мы понимали, откуда берутся ограничения на структуру и функции, потому что, как и в большей части фундаментальной науки, непредсказуемо, какие последствия новых знаний могут открыться в будущем».