30.04.2015

Криоэлектронная микроскопия показала различия рибосом в митохондриях и в цитоплазме

Две международные команды ученых исследовали структуру митохондриальных рибосом с помощью криоэлектронной микроскопии. Этот метод позволяет увидеть структурные элементы с высочайшим разрешением. Новые сведения дали возможность сравнить детали строения цитоплазматических и митохондриальных рибосом. Как выяснилось, митохондриальные рибосомы высокоспециализированы и сильно отличаются и от цитоплазматических аналогов, и от бактериальных рибосом.

Хорошо известно, что митохондрии — это бывшие альфа-протеобактерии, которые примерно полтора миллиарда лет назад стали симбионтами клеток архей или каких-то иных клеток. Там они взяли на себя функцию энергетических снабженцев, усовершенствовав биохимический конвейер по производству АТФ — главной энергетической молекулы клетки. Зато другие функции жизнеобеспечения за них стала выполнять хозяйская клетка со своим ядром и регуляторами. Об оставленной свободной жизни в митохондриях напоминает присутствие мембран, собственной ДНК и рибосом, необходимых для изготовления небольшого набора митохондриальных белков. Все эти элементы высокоспециализированны, так как нацелены, в отличие от всех остальных частей клетки, на выполнение только двух функций — производства АТФ и собственного размножения в стабильных внутриклеточных условиях. Поэтому изучение любого из этих элементов дает представление о процессах эволюционной специализации. Это касается в том числе и рибосом, хотя, казалось бы, эта клеточная машинка для синтеза белков универсальна, в ее работе уже ничего не убавить и не прибавить. Но оказалось, что это не так: митохондриальные рибосомы отличаются и от клеточных соседей, и от предковых рибосом альфа-протеобактерий. Это выяснили специалисты из Института молекулярной биологии и биофизики в Цюрихе и Цюрихского университета. Также интересную работу на эту тему выполнили ученые из лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований в Кембридже.

Эти группы использовали криоэлектронную микроскопию (Cryo-electron microscopy), позволяющую реконструировать трехмерное изображение объектов с разрешением 3,4–3,8 ангстрем. При подготовке препаратов для криоэлектронной микроскопии не используются вспомогательные материалы для срезов, изменяющие структуру мелких клеточных включений. До сих пор, однако, разрешающая способность криоэлектронной микроскопии была не очень высока, и только теперь она усовершенствовалась до уровня высокоточной рентгеновской кристаллографии (которая позволяет устанавливать атомарную структуру вещества, см.: X-ray crystallography). С помощью этой техники оказалось возможным рассмотреть в подробностях различные субъединицы миторибосом (митохондриальных рибосом), соотнести биохимические и структурные различия с таковыми цитоплазматических рибосом.

Рибосомы — это комплексы белков и РНК, белки в рибосомах в основном являются рибозимами, что указывает на их подчиненную каталитическую роль в этом тандеме. В миторибосомах у млекопитающих (были изучены человеческие и свиные клетки) содержится меньше РНК и, соответственно, больше белков. В некоторых случаях белки заменяют потерянные части РНК, они покрывают практически всю рибосому, вероятно, чтобы стабилизировать неустойчивую структуру РНК и защитить комплексы от окисления. Около половины миторибосомных белков специфичны: таких нет ни в цитоплазматических рибосомах, ни у родственных бактериальных рибосом. Так, у человека имеется 80 миторибосомных белков, из которых 36 специфичны. Одно из любопытных структурных различий, как выяснилось, такое: важный функциональный элемент рибосомы — малая субъединица 5S рРНК (5S ribosomal RNA) — замещена в митохондриях на тРНК валина. Эта замена особенно важна в свете дискуссий о природе 5S рРНК (см.: Г. М. Гонгадзе, 2011. 5S рРНК и рибосома), ее подозрительном сходстве с тРНК и возможном происхождении одной молекулы от другой (причем пока не ясно, какая именно от какой произошла).

Как сказались эти трансформации на работе миторибосом? Ученые предполагают, что именно они позволили миторибосомам стать специалистами по производству гидрофобных белков; и даже более — локализовать это производство на мембранах митохондрий. Нашлись специальные комплексы, которые прикрепляют рибосомы к мембранам митохондрий; нашлись особые белки, которые обеспечивают специфическую элонгацию; нашлись белки, которые занимаются распознаванием и прикреплением мРНК к миторибосоме. Все они различаются с функциональными аналогами цитоплазаматических рибосом. В особенности это касается инициации связывания мРНК с рибосомой — последней из перечисленных функций. То место, куда между двумя субъединицами входит нить матричной РНК, устроено у миторибосомы совершенно не так, как в цитоплазматической рибосоме. Именно из-за ее специфики ученые не могли наладить синтез митохондриальных белков in vitro, хотя цитоплазматические рибосомы работают в искусственных условиях уже более полувека. Теперь можно начать экспериментировать и с митохондриальными рибосомами.

Особенности миторибосомальных белков обуславливают иное устройство взаимодействия между малой и большой субъединицами. Из-за этого меняются конформационные движения и повороты этих субъединиц при связывании с тРНК и продвижении мРНК и синтезирующейся аминокислотной цепочки. Иными словами, механика работы миторибосомы при синтезе белковой нити отличается от канонической цитоплазматической рибосомы.

Обе команды исследователей подчеркивают, что обнаруженная специфика миторибосом объясняет побочные действия нескольких классов лекарств. Это означает, что структуру новых лекарств нужно немного изменить, чтобы устранить вредные последствия. Теперь стало понятно, куда смотреть и что менять. Хотя бы поэтому данная работа с миторибосомами актуальна. Хотя теоретический интерес специфики миторибосом гораздо шире: ведь известно, что миторибосомы сильно различаются у разных видов, гораздо сильнее, чем цитоплазматические рибосомы. Траектории изменений у разных видов покажут особенности энергетического обмена и пути его приспособления к разным модификациям.

Подготовлено по материалам:

1) A. Amunts, A. Brown, J. Toots, S. H. W. Scheres, V. Ramakrishnan. The structure of the human mitochondrial ribosome // Science. 2015. V. 348. P. 95–98.

2) A. Amunts, A. Brown, X. Bai, J. L. Llacer, T. Hussain, P. Emsley, F. Long, G. Murshudov, S. H. W. Scheres, V. Ramakrishnan. Structure of the Yeast Mitochondrial Large Ribosomal Subunit // Science. 2014. V. 343. P. 1485–1489.

3) B. J. Greber, P. Bieri, M. Leibundgut, A. Leitner, R. Aebersold, D. Boehringer, N. Ban. The complete structure of the 55S mammalian mitochondrial ribosome // Science. 2015. V. 348. P. 303–307.

4) R. Beckmann, J. M. Herrmann. Mitoribosome Oddities // Science. 2015. V. 348. P. 288–289.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru