Биологи из МГУ рассказали о синтезе белка живой клеткой

Ученые из Московского государственного университета имени Михаила Ломоносова под руководством Сергея Дмитриева из Научно-исследовательского института физико-химической биологии имени Андрея Белозерского МГУ прояснили, как живая клетка начинает синтез белка. Исследование авторов опубликовано в журнале Nucleic Acids Research, а кратко о нем сообщается в пресс-релизе, поступившем из МГУ в редакцию «Ленты.ру».

Большая доля генетической информации из ДНК, реализуется в живой клетке в виде белков. Для синтеза нужного белка ее необходимо перевести из последовательности нуклеотидов на язык аминокислот. Эта стадия преобразования называется трансляцией, и участвует в ней не ДНК, а матричная РНК, на которой находится копия конкретного гена. Специальная молекулярная машина — рибосома — движется по матричной РНК и считывает тройки нуклеотидов, каждая из которых кодирует аминокислоту.

Сложность заключается в том, что нуклеотиды матричной РНК следуют один за другим, и рибосома должна определить, с какого места ей необходимо начинать считывание. Если первая тройка нуклеотидов будет выбрана неверно, рибосома начнет синтезировать другой белок, который окажется бесполезным или токсичным для клетки.

«Для решения этой проблемы существует специальный механизм — рибосомное сканирование, — говорит Илья Теренин, соавтор работы. — Сначала малая субчастица рибосомы, нагруженная специальными белками, связывается с концом матричной РНК (которую можно сравнить с "ксерокопией" текста, записанного в ДНК: это как бы “инструкция” по сборке белковой молекулы). Затем рибосома начинает перемещаться по мРНК, "просматривая", как на конвейере, один за другим все встречающиеся ей тройки нуклеотидов».

Обычно в качестве точки старта используется тройка нуклеотидов «аденин-урацил-гуанин» (AUG). Когда рибосома находит его, она останавливается и начинает синтез белка. Ранее считалось, что обнаружение AUG – единственное и важнейшее событие, приводящее к началу синтеза с нужной точки. В своей работе ученые обнаружили, что это не всегда так.

Когда малая субчастица встречает тройку нуклеотидов AUG, она может начать сборку белковой молекулы (инициировать трансляцию). Это зависит от того, какой набор белков-помощников будет в ее распоряжении. Эти специальные белки — факторы инициации трансляции (сокращенно — eIF). Они имеют номера — у эукариот (организмов с ядром в клетке) один из самых важных факторов — второй, или eIF2. Он вместе с транспортной РНК привозит первый «кирпичик» белка — аминокислоту метионин.

В конце к малой субчастице рибосомы должна присоединиться еще и большая. Когда все компоненты есть в клетке в нужных количествах, происходит гидролиз (разложение) молекулы гуанозинтрифосфата (ГТФ), что и служит сигналом к началу трансляции. Молекула ГТФ связана с фактором трансляции eIF2, но сам eIF2 гидролизовать ГТФ не может — для этого ему нужен еще один белок-помощник, eIF5. Наличие eIF5 в необходимой концентрации как раз и определяет, гидролизуется ли ГТФ.

«Как оказалось, если гидролиза не произойдет, то малая субчастица проигнорирует стартовый кодон AUG и проскользнет дальше, как ни в чем не бывало. Мы назвали это слайдингом (от англ. sliding — “соскальзывание”)», — подводит итог Сергей Дмитриев.

Открытие слайдинга опровергает устоявшееся мнение о том, что процесс выбора точки начала трансляции заканчивается на моменте распознавания точки старта синтеза. Решающим событием является не узнавание AUG, а гидролиз ГТФ.

Примерно у половины матричных РНК стартовым кодоном является не первый AUG от конца молекулы, а второй, третий и иногда — более удаленный. До сих пор единственным объяснением этому было явление, именуемое в англоязычной литературе «leaky scanning» — при этом рибосома «проезжает» мимо первого AUG, не узнавая его. Однако leaky scanning требует, чтобы первый AUG находился в определенном нуклеотидном контексте, а это далеко не всегда так.

Ученые показали, что возможно и другое объяснение: узнавание этих «преждевременных» AUG все-таки происходит, но после этого рибосома все равно оказывается на правильном стартовом кодоне благодаря открытому исследователями слайдингу.