Это известно как центральная догма биологии: генетическая информация всех живых организмов хранится в ДНК, которая транскрибируется в РНК, а затем транслируется в белки, выполняющие почти все основные функции в клетке. Крошечная клеточная машина под названием рибосома строит белок до тех пор, пока не получит сигнал остановиться, после чего белок высвобождается в клетку в результате реакции с молекулой воды.
Но учёные уже давно ломают голову над одной деталью: если для высвобождения готового белка достаточно всего одной молекулы воды, то почему этого не происходит случайно?
Теперь исследователи из Иллинойсского университета в Чикаго раскрыли детальный химический механизм этого процесса. Исследование, опубликованное в Science, помогает ответить на давний вопрос в биологии и прояснить, как все живые организмы осуществляют синтез белка — один из важнейших процессов в жизни.
От жёсткого диска до 3D-принтера
ДНК похожа на жёсткий диск, на котором хранится генетическая информация организма в виде генов. Каждый ген содержит инструкции по созданию определённого белка, а белки контролируют большинство функций клетки, будь то пищеварение в кишечнике, перенос кислорода в крови или сокращение мышц.
Но клетки не могут использовать эти инструкции напрямую. Сначала создаётся копия в виде матричной РНК (мРНК). Затем рибосома считывает эту мРНК и собирает соответствующий белок, соединяя аминокислоты в определённой последовательности.
«Процесс синтеза белков абсолютно необходим для жизни», — сказал Юрий Поликанов, профессор биологических наук в Колледже свободных искусств и наук Иллинойсского университета в Чикаго и старший автор исследования.
В клетке рибосома и вспомогательные белки считывают «язык» нуклеотидов в мРНК и транслируют его в «язык» аминокислот в белке.
Рибосома похожа на клеточный 3D-принтер, который получает инструкции от генома и создаёт белок.
Юрий Поликанов, профессор биологических наук Колледжа свободных искусств и наук Иллинойсского университета в Чикаго
Рибосома прекращает «печать» нового белка, как только встречает в мРНК особый сигнал, известный как стоп-кодон. В этот момент в рибосому входит специальная вспомогательная молекула, называемая фактором высвобождения, и запускает процесс высвобождения готового белка из удерживающей его молекулы-носителя, называемой транспортной РНК (тРНК).
На этом заключительном этапе происходит разрыв связи между готовым белком и тРНК посредством гидролиза — химической реакции с участием молекулы воды.
По словам Поликанова, знать, когда нужно прекратить «печать» белковой цепи, так же важно, как и знать, когда нужно начать.
«Нарушение этого процесса может привести к довольно серьёзным последствиям», например к выработке дефектных или опасных белков, сказал он. Например, мутации в стоп-кодонах могут привести к таким смертельным заболеваниям, как муковисцидоз или мышечная дистрофия Дюшенна.
Получение полной картины
Раньше исследователи не могли точно определить, что происходит в процессе разрыва связи. Если для гидролиза нужна только вода, то почему связь не разрывается спонтанно из-за случайного столкновения молекул воды?
Некоторые предполагали, что инициатором разрыва был фактор высвобождения, содержащийся в молекуле воды. Однако этот процесс происходил слишком быстро, чтобы учёные могли его зафиксировать и изучить. По словам Поликанова, любая попытка собрать все компоненты в пробирке и заморозить рибосому непосредственно перед остановкой «печати» привела бы к высвобождению белка.
К счастью, у Поликанова и его лаборатории был козырь в рукаве. В 2022 году они разработали метод создания молекулы, которая имитирует связь тРНК с белком, но не может быть разорвана молекулой воды — она «негидролизуема». Используя негидролизуемый имитатор, команда Поликанова сделала подробные снимки реакции высвобождения белка с почти атомарным разрешением с помощью метода рентгеновской кристаллографии. То, что они обнаружили, изменило общепринятое объяснение, изложенное в учебниках: в нужном месте нет молекул воды, которые могли бы разорвать связь.
Вместо этого фактор высвобождения заставляет тРНК изменить свою форму ровно настолько, чтобы высвободить её скрытый химический потенциал. Небольшая часть тРНК вытягивается и разрывает связь, высвобождая готовый белок из рибосомы.
«На самом деле это что-то вроде толчка или пинка субстрату, который способствует гидролизу», — сказал Поликанов.
Это открытие объясняет, почему для терминации необходим фактор высвобождения. Этот небольшой толчок гарантирует, что белки не высвободятся преждевременно и их длина будет строго определена соответствующими генами.
По словам Поликанова, механизм высвобождения белка, открытый исследователями из Университета Иллинойса в Чикаго, действует во всех формах жизни — от бактерий до людей. Это также подчёркивает точность и изящество клеточного механизма.
«Мы выяснили, как на самом деле работает один из самых базовых биологических процессов, — сказал Поликанов. — Дело не только в том, что фактор высвобождения доставляет нужные компоненты, но и в том, что он меняет положение существующих компонентов, чтобы система могла завершить работу самостоятельно».
Среди других соавторов статьи — Елена Александрова и Егор Сыроегин.
Источник:
Иллинойсский университет в Чикаго
Ссылка на журнал:
Александрова Е. В., и др. (2025). Механизм опосредованного фактором высвобождения гидролиза пептидил-тРНК на рибосоме. Science. doi.org/10.1126/science.ads9030.
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся