Рибосомы синтезировали белок «онлайн»

Клетки живых организмов состоят из нескольких групп полимеров. Однако функции белков более многочисленны и разнообразны по сравнению с другими макромолекулами -- полисахаридами, РНК и ДНК. Белки выполняют функции катализаторов и ингибиторов биохимических процессов, поддерживают форму клетки (организуют цитоскелет), обеспечивают делящуюся клетку необходимыми «инструментами», формируют клеточные «внутренности» (органеллы), участвуют в иммунном ответе и передаче межклеточных сигналов. Синтез столь жизненно важных молекул происходит в специальном клеточном цехе -- на рибосоме, которая считывает информацию с матричной (м)РНК.

Рибосомные вагончики

Впервые рибосомы были описаны в середине XX века, после чего многочисленные исследования ученых постепенно проясняли особенности их строения и функций. За исследование рибосом в 2009 году была присуждена Нобелевская премия по химии. В целом ученым понятно, как устроен «цех по сборке полипептидной цепочки», хотя некоторые соображения по-прежнему гипотетические.

Известно, что в процессе трансляции (синтеза полипептида) несколько рибосом кооперируются, образуя «поезд». То есть рибосомы не дожидаются, когда закончится синтез белка на одной из них. Они присоединяются к мРНК следом за первым «вагончиком». Такой состав из нескольких органелл называется полирибосома. «Вагончики» длинной полирибосмы одновременно считывают информацию с мРНК, при этом они не ошибаются и не мешают друг другу. Да и цепочки полипептидов, «свисающие» с каждой рибосомы, не запутываются и не слипаются.

Структура полирибосомы и модификация ее составных частей до сих пор оставалась неизученной. Дело в том, что классические методики структурной биологии не способны распознать «сцепления» между отдельными «вагончиками», поэтому принятая пространственная структура имеет неточности. Однако ученые признают, что знания о структуре полирибосом не остались бы неиспользованными в биотехнологии.

Исследователи из Германии и Великобритании под руководством Флориан Брандт (Florian Brandt) из Института биохимии Общества Макса Планка (Max-Planck-Institute of Biochemistry) использовали методы криоэлектронной томографии (cryo-ET) и зарисовали трехмерный портрет полирибосомы.

Для эксперимента ученые использовали клетки глиобастомы (опухоль мозга), выращенные специально для исследования, а не изъятые из животного организма. Таким способом биологи подобрали достаточно удобный образец, исключив возможное искажение внутриклеточных процессов. Ведь раковые клетки размножаются более интенсивно по сравнению со здоровыми. Соответственно, и «сборочный цех» работает сверхпланово -- без перерывов и остановок. С помощью криоэлектронной томографии можно наблюдать за рибосомными перестройками «в режиме онлайн», не прибегая к методам химической фиксации или окрашивания. Более того, разрешение криоэлектронного томографа (3,9 нм) достаточно велико для того, чтобы различить не только рибосомы, но и макромолекулярные «сцепки» между ними.

Детально продуманные тонкости эксперимента позволили запечатлеть полирибосому такой, какая она есть на самом деле.

3D-реальность

В предшествующих исследованиях ученые описали линейные и спиральные «рибосомные паровозики». Однако ранее ученые не могли определить пространственное расположение рибосом в единой цепи из-за отсутствующих технических возможностей. Спустя полвека биологам удалось описать положение каждой органеллы. Анализируя субтомограммы и трехмерные модели, ученые показали, что положение каждого «вагончика» в полирибосоме зависит от пространственного положения соседа. Причем, направление задает не большая, а малая субъединица. Это хорошо видно и на изображениях, полученных экспериментаторами.

Рис. 1. Пространственная структура полирибосом в естественных (клеточных) условиях. Желтым цветом обозначена малая субъединица, синим -- большая. Красными точками обозначены цепи пептидов. Как и было описано ранее, полирибосома принимает квинтозакрученную (А), линейную (В) или спиралевидную (С) конфигурации.

Исследователи нашли точки соприкосновения между рибосомами и участки, которые предупреждают слипание новых полипептидных цепочек.

Ученые отмечают, что дальнейшие работы в заданном направлении помогут детальнее разобраться со всеми участниками белок-синтезирующей структуры. Они уверены, что в будущем эти знания можно использовать для синтеза белка.

Подробнее об этапах эксперимента можно прочитать в статье «The three-dimensional organization of polyribosomes in intact human cells» в журнале Molecular Cell.