РНК на короткому повідку
Відразу дві роботи в останньому номері Science присвячені дослідженню фундаментально важливого для життя будь-якої клітини процесу біосинтезу білка. Виявилося, що давно поміщений на сторінки підручників механізм ще не до кінця зрозумілий самим ученим. Зокрема, причини тісному взаємозв'язку, в якій протікають дві основні стадії процесу - транскрипція і трансляція ДНК, - до останнього часу не були відомі.
Про дослідження, яке, можливо, скоро потрапить на сторінки енциклопедій, розповів його керівник - професор Університету Нью-Йорка і глава лабораторії «ГеронЛаб» в Москві Євген Нудлер.
Розмовляла Олександра Борисова, «Газета.Ru» .
- В чому важливість отриманих результатів?
- Почнемо з азів - того, що всі проходять в курсі загальної біології 10-11 класу. У ДНК закодована інформація, тобто гени. І ці гени, цю інформацію, в процесі життєдіяльності клітини необхідно перетворити в білок. Перетворення генетичного коду в білок проходить в два етапи. Перший етап - транскрипція, коли фермент РНК-полімераза знімає копію з ДНК, синтезуючи РНК (ДНК має структуру подвійної спіралі, а РНК - одинарної нитки). РНК, в свою чергу, служить матрицею другого етапу - трансляції, яка здійснюється рибосомами. На цій стадії інформація з РНК перекодируется безпосередньо в білок, тобто рибосоми - машина для синтезу білка.
З кінця 50-х років відомо, що ці два процеси в бактеріях об'єднані, поєднуються в просторі. Коли йде синтез РНК (тобто РНК-полімераза «їде» по ДНК, ще до повного завершення синтезу), рибосома вже «сідає» на РНК і починає свій синтез. Але це майже все, що і було відомо. Чи не була зрозуміла функціональна сторона, не було зрозуміло, чому потрібно, щоб ці два процеси були пов'язані.
Те, що нам вдалося виявити , Стало повною несподіванкою. Виявилося, що рибосома, яка «їде» позаду РНК-полімерази, контролює процес транскрипції, тобто те, з якою швидкістю РНК-полімераза «їде» по ДНК.
Цей механізм можна порівняти з ситуацією, коли господар веде свою собаку на жорсткому повідку. Замість того щоб собака тягнула господаря, останній штовхає її вперед. Причому собака втекти не може через все того ж повідця.
З цього факту випливає маса дуже важливих висновків. Так як рибосома контролює швидкість транскрипції, то ці два процеси синхронізовані ідеально. Це важливо, щоб транскрипція не йшлося даремно: клітці не потрібно синтезувати РНК, якщо вона марна, якщо біосинтез білка далі йти не може. Якщо РНК полімераза «втече» від рибосоми, то її зупинить інший спеціальний білок - термінаційного фактор. Він відстежує, не зупинилася робота рибосом. Якщо він помічає паузу, то «стрибає» на РНК-полімерази і знімає її з ДНК.
Цей механізм надзвичайно важливий для енергетичного балансу клітини, для її стійкості. Не можна допустити, щоб енергоємний процес транскрипції був безглуздим, безрезультатним. Бактерія влаштована так, щоб максимально економити енергію. Це дає їй шанс виживати і конкурувати з іншими бактеріями, наприклад. Поживних речовин завжди не вистачає, тому все розраховано, щоб оптимально економічно витрачати енергію в клітці і підлаштовуватися під ті чи інші умови середовища.
Ми також пояснили сенс, причину, по якій ці два процеси так добре синхронізовані. Рибосома є основним сенсором поживних речовин. Коли клітина голодує, це відбивається на ефективності роботи рибосом: необхідних субстратів стає мало, і рибосома працює повільніше. Для РНК-полімерази кількість субстратів в основному постійно. Тому логічно, щоб саме рибосома контролювала швидкість, а не РНК-полімераза. Рибосома за визначенням не може працювати швидше полімерази, тому що вона їде тільки по вже побудованої матриці РНК. Тому природа дуже розумно віддала функції контролю саме рибосоми.
Для перевірки наших гіпотез ми провели експерименти щодо прискорення або уповільнення роботи рибосом різними способами. Наприклад, антибіотики можуть її гальмувати, а деякі мутації - помітно прискорювати. І те, і інше призводить до ідеального симбатно і синхронного зміни швидкості транскрипції. Змінюється вона і в залежності від стадії росту: наприклад, якщо клітина починає голодувати, то це відбивається на рибосомі і на полімеразі.
Крім того, ми змогли пояснити, як на молекулярному рівні досягається ця синхронізація. РНК-полімераза осциллирует на більшості дільниць у процесі руху по ДНК. Тобто відразу після руху вперед вона прослизає назад. Цей процес називається «зворотний рух»: це рух як на льоду і відбувається спонтанно. Через це її швидкість менше, ніж могла б бути. Можна було б подумати, що щось у неї не в порядку, що це недолік в роботі. Однак насправді в цьому і полягає глибинний сенс функціонування системи: саме так можна регулювати процес і швидкість руху. Фактично РНК-полімераза насилу рухається самостійно. Вона намагається злетіти назад, і тільки рибосома, ведуча «за її спиною» наступний синтез білка, її підштовхує вперед. Якщо рибосома не працює, такий механізм забезпечує і гальмування РНК-полімерази. РНК знаходиться у вузькому каналі РНК-полімерази: в ньому вона, як нитка через вушко голки, протягується туди-назад. І якщо ззаду сидить якийсь «вузлик» (рибосома), нитка фізично не може з'їхати назад - і фермент рухається вперед.
Кілька років тому наша група опублікувала роботу в Science на схожу тему. По подібному механізму працює і сама РНК-полімераза. Зазвичай по одній молекулі ДНК їдуть відразу кілька молекул РНК-полімерази - паровозиком. «Склад» тим довше, чим активніше експресується ген: вони можуть їхати прямо одна за одною. Тому, якщо одна з передніх молекул «спотикається», задня не дає їй дати збій і штовхає її вперед. Таким чином відбувається кооперативне прискорення руху: разом вони їдуть швидше.
Тепер ми бачимо, що таке прискорення можуть здійснювати і рибосоми. Виходить, що чим активніше ген, тим краще він буде транскрибуватися і транслюватися, тим швидше цей процес буде йти. Незважаючи на високу швидкість зчитування ділянок ДНК РНК-полімерази (десятки нуклеотидів в секунду), загальна швидкість невисока, через те що молекули-гени дуже довгі, особливо у клітин еукаріотів. Щоб вважати тисячі і мільйони нуклеотидів в гені, потрібні хвилини і навіть годинник. А чим швидше буде їхати РНК-полімераза, тим швидше буде експресуватися ген.
- Яке можливе практичне застосування ваших результатів?
-Тепер ми знаємо, що два ключових процесу в експресії гена - транскрипція і трансляція - безпосередньо пов'язані між собою фізично, про що раніше було невідомо. Якщо є зв'язок, значить є і можливість роз'єднати ці процеси, щоб перервати успішну транскрипцію. У цьому ж випуску Science публікує структурну роботу , Що описує можливий місток між РНК-полімерази і рибосомою. Автори стверджують, що їх пов'язує жорсткий місток з двох інших білків: один з них пов'язаний з рибосомою, інший з РНК-полімерази. Ми, зі свого боку, почали перевірку цих результатів. Якщо нам вдасться показати, що цей місток дійсно важливий і що його розрив зможе порушити синхронізацію РНК-полімерази і рибосом, то це може бути новим способом порушувати генну експресію в бактеріях. На базі цієї концепції можуть бути розроблені нові високоефективні антибіотики - молекули, які будуть цей місток розривати, тобто порушувати нормальну експресію генів в бактеріях.
- Розкажіть про авторське колективі і історії роботи.
- Ця робота була в основному зроблена в Росії. Як ви бачите, у першого автора роботи Сергія Прошкіна вказані два місця роботи - Нью-Йорк і Москва. Він починав цю роботу в Нью-Йорку, в моїй в лабораторії, а потім повернувся в Москву. Завдяки фонду «Династія», який виділив мені грант і дозволив заснувати лабораторію в Москві, я зміг запросити Сергія на роботу, і всі подальші дослідження були проведені вже там на кошти фонду «Династія».
Я вважаю, що це дуже хороший, дуже показовий приклад того, що в Росії при правильній організації можна робити науку на світовому рівні і публікувати результати в найпрестижніших провідних світових журналах.
Це перша стаття, яка вийшла з нашої російської лабораторії «ГеронЛаб». Однак це не єдиний напрям роботи. Кілька публікацій знаходяться в процесі доопрацювань, на різних стадіях, і ми сподіваємося, що вони теж будуть добре прийняті науковим співтовариством. Перша ластівка вийшла дуже непогана.
Наша лабораторія по-своєму унікальна. Це, по-моєму, єдина така лабораторія в Росії: вона не залежить ні від яких структур - ні від Академії наук, ні від університетів. Однак тісно співпрацює з кількома науковими інститутами в Москві і Пітері, в першу чергу з НДІ генетики на Варшавському шосе. Офіційно вона зареєстрована як некомерційна організація і називається «ГеронЛаб», тому що одна з основних тем роботи - механізми старіння клітини. В цю лабораторію ми прийшли з рядом тим, які були розпочаті раніше, і ця робота теж продовження старої теми. В рамках «ГеронЛаба» фінансування йшло виключно від фонду «Династія», і це дозволило організувати таке унікальне підприємство.
Хочеться сподіватися, що ми своїм прикладом показуємо, що якщо просто створити непогані умови роботи, то вчені як я, які чогось досягли на Заході, можуть організовувати продуктивні групи в Росії, ділити свій час між роботою за кордоном і в своїй країні так, що обидві сторони тільки виграють. Для тих, хто виїхав відбулися вчених це чудовий шанс розширити можливості, інтереси, робити нові розробки, використовуючи талановитих і кваліфікованих фахівців в Росії. У свою чергу, молоді російські вчені не виходитимуть з науки або їхати за кордон, а продовжать гідно займатися улюбленою справою в Росії і будуть вчитися тому, як треба робити науку на міжнародному рівні.
Портал «Вічна молодість» http://vechnayamolodost.ru
28.04.2010
Яке можливе практичне застосування ваших результатів?
