НУКЛЕОТИДНЫЙ И АМИНОКИСЛОТНЫЙ «АЛФАВИТЫ»

Ада Йонат

Наверное, все слышали, что информация о том, как построить организм, хранится в ДНК — своеобразной «библиотеке» живой клетки. Белки — это главные молекулярные «работники» в клетке: они осуществляют превращение веществ и энергии, отвечают за движение клетки, образуют её «скелет», участвуют в передаче наследственной информации, выполняют множество других функций. Для своей жизнедеятельности в каждый момент времени клетка использует лишь небольшую часть генетической информации. «Текущие указания» копируются с отдельных участков ДНК в виде коротких «сообщений» — молекул мРНК (матричной РНК).

Венкатраман
Рамакришнан

Рибосома — небольшое внутриклеточное образование неправильной формы, составленное из двух неравных «половинок». Она выполняет очень важную функцию: «читает» мРНК-сообщения, а затем по этим «сообщениям» синтезирует белковые молекулы. Такой процесс называется трансляцией. Задача, стоящая перед рибосомой, очень сложная. Ведь белки состоят не из нуклеотидов, а из принципиально других строительных блоков — аминокислот. Причём нуклеотидов всего четыре, а аминокислот — двадцать.

Как же информация, содержащаяся в четырёх нуклеотидах, превращается в аминокислотный код? Дело в том, что каждая аминокислота зашифрована тремя «буквами» — нуклеотидами. Из четырёх букв нуклеотидного алфавита можно составить 64 трёхбуквенных «слова» — кодона. Каждому кодону соответствует своя специфичная аминокислота. Поскольку кодонов (64) больше, чем аминокислот (20), некоторые аминокислоты кодируются несколькими кодонами. За расшифровку генетического кода Маршаллу Ниренбергу, Гобинду Коране и Роберту Холли была присуждена Нобелевская премия по медицине 1968 года.

ТРАНСЛЯЦИЯ В РИБОСОМЕ

По каким признакам рибосома узнаёт кодоны, как она «помнит», какому кодону какая аминокислота соответствует? Как это ни парадоксально, рибосома сама ничего не «знает» и не «помнит». В клетке имеются специальные небольшие молекулы РНК, называемые транспортными или тРНК, которые переносят «на себе» аминокислоты и распознают соответствующий этой аминокислоте кодон на молекуле мРНК. Каждая тРНК переносит только «свою» аминокислоту. Идея о том, что тРНК могут быть своеобразным «адаптером» между кодоном и аминокислотой, была предложена в пятидесятые годы американским учёным, будущим нобелевским лауреатом Френсисом Криком.

Томас Стайц

Трансляция генетической информации в рибосоме происходит так. Специальные ферменты прочной химической связью «пришивают» к молекуле тРНК соответствующую аминокислоту. При этом тРНК сворачивается в структуру, похожую на рогалик или на букву Г. На концах такого «рогалика» находятся аминокислота и так называемый антикодон. Антикодон распознаёт соответствующий кодон в мРНК, таким образом доставляя аминокислоту к месту «сборки» белковой молекулы.

По сути, тРНК служат клеточными «переводчиками» с нуклеотидного «языка» на аминокислотный. Работа рибосомы сводится к тому, чтобы подобрать молекулу тРНК, соответствующую той аминокислоте, которая необходима для построения белковой цепочки в данный момент. Этот процесс считывания информации называется декодированием. Его осуществляет меньшая из двух неравных субчастиц, из которых состоит рибосома. На большей субчастице происходит сшивание аминокислот в цепочку — новую белковую молекулу.

КАК УСТРОЕНА РИБОСОМА. НАЧАЛО ПУТИ

Как рибосома справляется с таким огромным числом взаимодействующих молекул и как устроен этот молекулярный «завод»? С химической точки зрения рибосома представляет собой смесь РНК и белков. Она состоит из трёх разновидностей молекул РНК, с рибосомными РНК связаны многочисленные рибосомные белки. У бактерий в состав малой субчастицы входит 21 уникальный белок, а большой — 33. Общая масса рибосомы измеряется мегадальтонами. В отличие от сравнимых по массе вирусных частиц рибосома не имеет никаких элементов симметрии, что чрезвычайно усложняет изучение её структуры.

Клетка содержит десятки тысяч рибосом
размером около 25 нм. Некоторые из них прикреплены
к мембранам эндоплазматической сети,
другие — локализованы в цитоплазме

Исследовать устройство рибосомы учёные начали давно. Поначалу для этого использовали метод электронной микроскопии, который в СССР успешно применяли член-корреспондент РАН Николай Андреевич Киселёв (заведующий лабораторией Института кристаллографии им. В. А. Шубникова РАН) и профессор Виктор Дмитриевич Васильев (Институт белка РАН). В настоящее время используется усовершенствованная методика, получившая название криоэлектронной микроскопии. С помощью этого метода в конце 90-х годов ХХ века две ведущие лаборатории — Марина Ван Хилла в Англии и Иохима Франка в США — преодолели рубеж разрешающей способности 20 ангстрем. Сейчас разрешение криоэлектронной микроскопии приближается к 5—7 ангстремам. Стало возможным «увидеть» спирали РНК и отдельные домены белков, но всё же этого недостаточно, чтобы понять детали строения рибосомы.

Одновременно проводились химические исследования структуры рибосомы. Так, в лаборатории академика Алексея Алексеевича Богданова, в группе профессора Ольги Анатольевны Донцовой (химический факультет МГУ), с помощью химических сшивок было точно определено окружение молекул мРНК в рибосоме. В Германии Ричард Бримакомб (Институт молекулярной генетики им. Макса Планка), сопоставляя результаты криоэлектронной микроскопии и химического сшивания, создал модель структуры рибосомы, как оказалось в дальнейшем, достаточно точную.

Эти работы, безусловно, были полезны для понимания структуры и функции рибосомы. Однако в конце 1990-х всё сообщество учёных, изучающих рибосомы, жило в предчувствии новой эры — эры, когда структура рибосомы будет определена с атомарным разрешением. Такую точность мог дать только рентгеноструктурный анализ. Этот метод успешно применялся для определения пространственных структур белков и небольших РНК, но для того, чтобы «замахнуться» на рибосому, уникальный по сложности объект, нужна была большая смелость. Такая смелость зародилась в сердцах учёных более двадцати лет назад в двух лабораториях — Ады Йонат и Александра Сергеевича Спирина.

В лаборатории Спирина Марат Юсупов получил кристаллы рибосомных субчастиц, пригодные для рентгеноструктурного анализа. Увы, в нашей стране у него не было шансов определить структуру рибосом — в первую очередь из-за отсутствия необходимого сверхдорогостоящего оборудования. Чтобы продолжить исследования, Юсупов вынужден был уехать в лабораторию Ноллера в США, где вместе с женой Гульнарой, так же как и нынешние нобелевские лауреаты, определил структуру рибосомы. Можно, конечно, в очередной раз порассуждать о том, могла ли структура рибосомы быть определена в России. Учитывая то, что происходило с нашей наукой в 1990-е годы, да и происходит в настоящее время, определить структуру рибосомы в России было просто невозможно. И виноват тут конечно же не Нобелевский комитет.

НОБЕЛЕВСКАЯ ГОНКА ЗА СТРУКТУРОЙ

За рубежом исследования структуры рибосомы продолжались. Долгое время усилия Ады Йонат вызывали сочувственные улыбки рибосомологов. Определение атомарной структуры рибосомы в конце 1980-х и даже в начале 1990-х казалось романтической мечтой. В это время Том Стайц и Венкатраман Рамакришнан были заняты определением пространственных структур более простых макромолекул. И вот во второй половине 1990-х стало ясно, что приборная, вычислительная и методическая база рентгеноструктурного анализа «доросла» до того уровня, когда определение атомарной структуры рибосомы оказалось реальностью. Именно тогда началась «великая гонка» за структурой рибосомы.

Для кристаллографии рибосом используется рентгеновское синхротронное излучение. Рентгеновские лучи рассеиваются на кристаллической решётке, формируя на ПЗС-детекторе (Нобелевская премия по физике 2009 года) специфическую дифракционную картину из миллионов точек. Анализируя это изображение, можно определить положение каждого атома в пространственной структуре рибосомы. Затем с помощью специальных программ расчётная модель визуализуется на экране компьютера

Эта гонка увенчалась ошеломляющим успехом. Сразу четыре научные группы почти одновременно опубликовали структуру рибосомных субчастиц. Группы Йонат (журнал «Cell», статья получена 23 июня 2000 года) и Рамакришнана (журнал «Nature», статья получена 14 июля 2000 года) опубликовали структуры малой субчастицы рибосомы термофильной бактерии Thermus thermophilus c разрешением около 3 ангстрем. Группа Стайца определила структуру большой субчастицы рибосомы галофильной археи Haloarcula marismotrui с разрешением 2,4 ангстрема (журнал «Science», статья получена 29 июня 2000 года), а группа Ноллера определила структуру всей рибосомы, то есть комплекса обеих субчастиц, мРНК и трёх тРНК с разрешением 5,5 ангстрема (журнал «Science», статья получена 21 февраля 2001 года). Всего лишь полугодовое отставание и проигрыш в разрешении стоили Ноллеру исключения из списка нобелевских лауреатов. Пожалуй, если кто и может жаловаться на несправедливость Нобелевского комитета, так это именно Харри Ноллер. Ведь кроме определения структуры на его счету десятки важнейших открытий в области работы рибосомы.

ЗАЧЕМ НУЖНО ЗНАТЬ СТРУКТУРУ РИБОСОМЫ

Что ж, структуру рибосомы было определить сложно. Другой вопрос — был ли в этом какой-либо смысл. Бесспорно, структура рибосомы не просто обогатила наше понимание взаимодействия РНК и белков, она подняла это понимание на принципиально новый уровень. Подтвердилось то, о чём учёные догадывались уже давно: в рибосоме не только структурную, но и все другие основные функции выполняет РНК. Почему это интересно? Это доказывает то, что рибосома пришла к нам из добелкового, так называемого РНК-мира.

Долгое время учёным было непонятно, в какой последовательности возникли механизмы передачи наследственной информации в живой клетке. ДНК не может копировать сама себя, для этого ей требуются белковые молекулы. В свою очередь, для синтеза белков требуется кодирующая их РНК, считываемая с ДНК также с помощью белков. В результате все три основные биомолекулы оказываются связанными между собой причинно-следственными связями.

Выходом из этого парадокса стала гипотеза РНК-мира, выдвигавшаяся именитыми учёными несколько раз и получившая первое экспериментальное подтверждение после открытия каталитических РНК американским химиком Томасом Чеком и канадцем Сидни Альтманом. За это открытие обоим была присуждена в 1989 году Нобелевская премия (см. Григорович С. // Наука и жизнь, 2004, № 2).

Идея РНК-мира заключается в том, что, до того как возникли белки и позднее ДНК, и каталитические функции, и функции хранения наследственной информации выполняли молекулы РНК. Сейчас благодаря открытию новых нобелевских лауреатов стало окончательно ясно, что рибосома пришла к нам из РНК-мира. Собственно, её возникновение и ознаменовало начало белкового мира, ведь рибосома — это построенная на основе РНК машина для производства белков.

Но это всё теория науки. А может ли расшифровка структуры рибосомы быть полезной людям сегодня? Оказывается, её практический эффект очень значителен. Дело в том, что рибосома — это мишень воздействия для большого числа антибиотиков. Сразу после опубликования структуры рибосомных субчастиц научные группы нынешних нобелевских лауреатов начали изучать структуры комплексов рибосомы с различными антибиотиками.

На основе этих работ стало возможным проектировать и создавать новые антибиотики, влияющие на работу рибосомы. Для этого в США создана компания «Rib-X», научными консультантами которой стали нобелевские лауреаты 2009 года Том Стайц и Венки Рамакришнан. Компания уже объявила о том, что два новых антибиотика вышли на последнюю стадию клинических испытаний.

Атомарная структура бактериальной рибосомы. Молекулы рибосомных РНК окрашены в оранжевый цвет, белки малой субчастицы — в голубой, белки большой субчастицы — в зелёный. Молекула антибиотика (красная) химически взаимодействует с малой субчастицей. Изучение таких сложных структур помогает разрабатывать новые эффективные антибиотики

Определение структуры рибосомы с атомарным разрешением — это безусловный прорыв в области фундаментальной науки, а также уникальная возможность конструировать и создавать новые лекарственные препараты. Можно ещё раз восхититься этим достижением нобелевских лауреатов и пожелать им дальнейших открытий.

РАБОТА РИБОСОМЫ: ОТ ТРАНСЛЯЦИИ ДО ТРАНСЛОКАЦИИ

Механизм трансляции довольно сложен. Вкратце, в процессе работы рибосомы тРНК проходит по щели между двумя рибосомными субчастицами, последовательно попадая в три тРНК-связывающих «кармана». В первом «кармане» (А-участок) связывается комплекс тРНК и аминокислоты (аминоацил-тРНК), во втором «кармане» (Р-участок) находится тРНК, пришедшая на рибосому при считывании предыдущего кодона (пептидил-тРНК). С этой тРНК связана не только «своя» аминокислота, но и вся белковая молекула, синтезированная на данный момент. Собственно процесс сшивки цепочки аминокислот заключается в переносе растущего пептида с этой тРНК на только что прибывшую в первый «карман» комплекса тРНК с аминокислотой. При этом вновь прибывшая тРНК присоединяет к себе весь синтезированный рибосомой белок. Та тРНК, которая несла белковую молекулу, становится «пустой».

Работа рибосомы происходит в несколько стадий: связывание аминоацил-тРНК, перенос пептида с пептидил-тРНК на аминоацил-тРНК, транслокация (перемещение мРНК на один кодон и тРНК из А-участка в Р-участок), уход «пустой» тРНК.

После переноса белковой молекулы на новую тРНК необходимо передвинуть мРНК на один кодон. Вместе с этим образовавшийся комплекс тРНК со строящимся белком тоже должен переместиться из первого кармана во второй, освобождая место для тРНК со следующей аминокислотой. «Пустая» тРНК при этом переходит в третий «карман» (Е-участок). Этот сложнейший молекулярный процесс называется транслокацией. Механизм транслокации предложил патриарх отечественной рибосомологии академик Александр Сергеевич Спирин, основатель института белка РАН и директор с 1967 по 2001 год. Согласно модели Спирина, в процессе синтеза белка субчастицы рибосомы перемещаются относительно друг друга. Позже эту догадку блестяще подтвердил другой патриарх рибосомологии американский учёный Харри Ноллер, директор центра молекулярной биологии РНК Университета Калифорнии. Наконец, движение рибосомных субчастиц относительно друг друга зафиксировал с помощью криоэлектронной микроскопии немецкий учёный, работающий в США (профессор Колумбийского университета), Иохим Франк. Несмотря на длительное изучение, процесс транслокации до сих пор скрывает много загадок, которые исследователям рибосомы предстоит решить в будущем.

Доктор химических наук Пётр СЕРГИЕВ, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова