В МГУ открыли новый способ синтеза белка

Открытие приведёт к новому поколению антибиотиков

Найти множество новых антибиотиков и разобраться в причинах болезни Паркинсона возможно в результате улучшения понимания механизма синтеза белка, что может следовать из работы группы ученых при участии сотрудников МГУ: они экспериментально доказали, что биосинтез белка в митохондриях пекарских дрожжей может эффективно проходить без участия компонента, который раньше считался абсолютно необходимым.

Превращение информации, записанной в генах на языке нуклеотидного шифра, в материальную работающую структуру – белок – происходит в несколько этапов. Сначала генетический код переписывается с молекулы двуцепочечной ДНК, находящейся в ядре, на более короткую одноцепочечную матричную РНК (этот процесс называется транскрипцией). Затем РНК претерпевает некоторые изменения и выходит через поры в ядерной оболочке «в открытое плавание» – в цитоплазму. Там и происходит трансляция – на рибосомах с использованием информации РНК из аминокислот синтезируются белки. Аналогичные процессы происходят и в митохондриях – энергетических подстанциях клетки. Существуют специальные молекулы, которые запускают процесс. Они носят название факторов инициации трансляции.

До недавнего времени были открыты три (mtIF1, mtIF2 и mtIF3) или, у некоторых групп организмов (например, у грибов), два (mtIF1, mtIF2) митохондриальных фактора инициации трансляции .

В 2012 году ученые с кафедры молекулярной биологии МГУ идентифицировали третий фактор инициации трансляции и у грибов, а позднее, изучая его роль в клетках пекарских дрожжей, сделали неожиданное открытие. Эксперимент, который должен был лишь доказать, что без третьего фактора инициации трансляции процесс не запускается (как и во всех известных системах), дал совсем иные результаты. Ознакомиться с ними можно в журнале Scientific Reports.

Вместо смерти – разрушение гармонии

Ученые «вырезали» ген, кодирующий белок mtIF3, а на его место вставили ген устойчивости к антибиотику, добавленному к питательной среде, куда высевали клетки, чтобы все клетки, в которых ген не был вырезан, погибли.

Чтобы оценить именно митохондриальную трансляцию, трансляция внутри эукариотической клетки была отключена с помощью другого антибиотика, циклогексимида, неспособного проникать внутрь митохондрий. Затем в среду была добавлена радиоактивно меченая аминокислота метионин, чтобы отличить белки, синтезированные только в митохондриях, от всех остальных, которые могли быть произведены в клетке до отключения трансляции вне ядра. А поскольку в митохондриях дрожжей синтезируется всего 8 белков, их наличие нетрудно проследить визуально с помощью белкового электрофореза – прогона молекул под действием электрического тока через поры в геле (наиболее короткие «убегут» дальше, а длинные будут «ползти» медленнее и останутся ближе к точке «старта»).

«Фактически, этот эксперимент был необходим только для нашего внутреннего спокойствия. Однако он привел к крайне неожиданным результатам: никакой остановки трансляции в дрожжевых митохондриях в отсутствие mtIF3 не произошло! Биосинтез белка в этих условиях шел, в целом, примерно с той же эффективностью, что и в нормальных дрожжевых митохондриях, но был сильно «разбалансирован». Другими словами, некоторых митохондриальных белков в отсутствие mtIF3 действительно становилось меньше, зато количество других вырастало в несколько раз!», – утверждает Петр Каменский.

Скорее всего, mtIF3 имеет и другие функции в клетке, как-то координируя соотношение производимых в митохондриях белков. Как сообщили российские биологи в своей статье, предыдущие исследования нашли связь нарушения этого баланса у человека с болезнью Паркинсона. Мутации, которые дестабилизируют mtIF3, также встречаются у пациентов с этим заболеванием. Это означает, что изучение работы митохондриального фактора инициации трансляции-3 у млекопитающих может помочь дополнить картину молекулярного механизма формирования болезни Паркинсона и найти новые способы лечения.

Вопросы к грядущему

Данное открытие, как это часто бывает, спровоцировало поток новых вопросов, которые ждут тщательного исследования. «Во-первых, каким образом дрожжевые митохондрии обходятся без фактора инициации? Может быть, вместо него начинает в больших количествах синтезироваться какой-нибудь другой белок, который функционально заменяет его? Или происходит что-то еще? Как говорится, будем разбираться», – комментирует достижение своей группы один из двух координаторов работы, Петр Каменский. – «Второй вопрос не менее интересен. Как уже отмечалось выше, в отсутствии mtIF3 митохондриальная трансляция «разбалансируется»: некоторых белков становится меньше, а некоторых – больше. Выходит, что наш mtIF3 по-разному влияет на биосинтез каждого конкретного белка? Таких случаев раньше описано не было, и здесь, конечно же, необходимо досконально все выяснить».

Однако помимо своей глубокой фундаментальной значимости, работа по изучению механизмов трансляции имеет и возможность практического применения. И это не только описание уже упомянутой связи с болезнью Паркинсона, но и создание модельной системы митохондриальной трансляции in vitro («в пробирке»), подобные которой, уже давно разработанные для эукариотических и бактериальных клеток, помогают ученым тестировать лекарства и ставить другие эксперименты.