Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2020 года
Молодые исследователи, работающие в научных центрах и университетах столицы, могут подать заявки на премию Правительства Москвы молодым учёным. Награда присуждается как за достижения в фундаментальных исследованиях, так и за разработку новых технологий. Приём заявок на участие в конкурсе за 2021 год проходит до 9 июля 2021 года (подробности: https://nauka.mos.ru).
В майском номере журнала рассказывалось об исследованиях нескольких лауреатов 2020 года (см. «Наука и жизнь» № 5, 2021 г.). Представляем работы ещё трёх лауреатов.
Нестандартный биосинтез
В нашем организме белки делают всё: добывают энергию, создают электрические импульсы в нервных клетках, обеспечивают сокращение мышц. Конечно, другие биомолекулы тоже исключительно важны. Но и углеводы, и липиды, и нуклеиновые кислоты существуют в клетке тоже при помощи белков: белки их синтезируют, переносят с места на место, расщепляют. Часто углеводы и липиды присоединяются напрямую к белковой молекуле, чтобы белок смог выполнить какую-нибудь специфическую работу.
Как известно, информация о белках хранится в нуклеиновых кислотах. В большинстве случаев хранилищем служит дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК. Информация зашифрована в ДНК с помощью генетического кода. Белок — это цепь аминокислот. Она может свернуться в клубок, погрузиться в клеточную мембрану, может соединиться с аминокислотной цепью другого белка — но так или иначе судьба белка, его способность выполнять ту или иную работу зависит от последовательности аминокислот. Как раз их последовательность и закодирована в ДНК с помощью четырёх букв генетического алфавита — А, Т, G и С (в РНК вместо буквы Т стоит буква U)*. Аминокислоты кодируются тройками букв — эти тройки называют триплетами, или кодонами (например, аминокислота фенилаланин кодируется в ДНК триплетом TTT или ТТС; в РНК это будут, соответственно, UUU и UUC). Правда, на самой ДНК собрать белковую молекулу нельзя — ДНК хорошо подходит для хранения информации, но с ней не могут работать молекулярные машины, которые занимаются сборкой белковых молекул. Поэтому белковый код копируется с ДНК в РНК — это процесс транскрипции. Синтез белка называют трансляцией, а РНК, которая служит матрицей для сборки, именуют матричной, или мРНК.
* Буквы обозначают азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U).
Трансляцию выполняют рибосомы — огромные молекулярные комплексы, состоящие из нескольких десятков белков и специальных служебных молекул РНК (рибосомных РНК, или рРНК). Рибосомы работают не в одиночку. Есть целый набор белков, которые называются факторами трансляции. Бо́льшая часть факторов трансляции помогает рибосомам правильно начать синтез белка.
В чём проблема с правильным стартом? Код нужно прочесть с начала и до конца. Факторы трансляции помогают рибосоме сесть на нужный конец молекулы РНК. Но код белка начинается не прямо с самых первых букв цепочки мРНК. Рибосома должна проехать какое-то расстояние, пока не дойдёт до стартовой точки. Среди триплетов-кодонов есть так называемые старт-кодоны: они кодируют одну из аминокислот и одновременно обозначают старт синтеза. Самый распространённый из старт-кодонов, AUG, кодирует аминокислоту метионин; также есть старты CUG и UUG. (Здесь и далее триплеты обозначены так, как они выглядят в РНК, то есть с U вместо Т.) Старт-кодон работает не сам по себе, но в контексте: рядом с ним есть определённые генетические буквы, которые помогают рибосоме его узнать.
Затем рибосома начинает соединять аминокислоты (опять же при помощи специальных факторов трансляции), пока не наткнётся на один из стоп-кодонов. Стоп-кодоны никаких аминокислот не кодируют, они просто означают, что рибосома должна прекратить синтез аминокислотной цепочки. Стоит ли говорить, что останавливается рибосома тоже при помощи белковых факторов трансляции. При этом на стоп-кодоне мРНК не заканчивается — за ним идёт более или менее длинная последовательность нуклеотидов, но рибосома по ней уже не перемещается.
Так в самых общих чертах выглядит синтез белка. Стоит ещё добавить, что рибосома состоит из двух частей, малой и большой субчастиц. Первой на мРНК садится малая субчастица, и она же ищет точку старта. Когда старт найден, к ней присоединяется большая субчастица, и вот уже такая соединённая рибосома начинает синтезировать белок.
С фрагментом мРНК, который рибосома проезжает в начале перед стартом, связаны исследования Дмитрия Андреева, ведущего научного сотрудника лаборатории регуляции синтеза белка Института физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ. Этот фрагмент мРНК часто называют лидерной последовательностью или просто лидером. Лидер заканчивается старт-кодоном. Но внутри лидера могут встречаться и другие старт-кодоны. То есть, например, до главного старта AUG может быть ещё один, два, три AUG или же не AUG, а другой старт-кодон.
Какое-то время считалось, что рибосома (точнее, её малая субъединица) сканирует лидер в поисках одного-единственного правильного старта — потому что, как опять же считалось, одна матричная РНК несёт информацию только об одном белке. Но потом стали появляться данные, что рибосома вполне может начать синтез белка с альтернативного старта.
Рибосома сканирует последовательность мРНК по триплетам. Представим, что самый первый триплет, который рибосома проверила, выглядит как AAA, а следом за ним идёт TTT. Рибосома может проверить сначала ААА, а потом ТТТ. Но может случиться и так, что рибосома сдвинется и не заметит первую букву А. И тогда она начнёт сканировать мРНК с триплета ААТ. А если она сдвинется на две А, тогда первым распознанным триплетом будет АТТ. Легко понять, что с такими сдвигами рибосома будет читать какую-то абсолютно другую последовательность кодонов — разбивка всей последовательности мРНК на тройки букв будет сдвинута на одну или на две буквы. Так же легко понять, что с такими сдвигами в РНК вполне могут появиться альтернативные старты.
Может показаться, что речь идёт о чём-то ненормальном, о каком-то сбое в аппарате трансляции. Но на самом деле альтернативные старты — вполне законная вещь. Просто случаются они не всегда, а лишь в определённых условиях. Бывает, что клетка попадает в такую жизненную ситуацию, когда рибосомы на определённой мРНК должны увидеть более ранний старт-кодон вместо того, на котором они обычно начинают синтез белка. Именно такие случаи изучают Дмитрий Андреев и его коллеги.
Чтобы лучше понять полученные ими результаты, нужно хотя бы бегло рассмотреть один из основных методов, который используют в исследованиях трансляции. Этот метод называется рибосомным профайлингом, или Ribo-Seq (от слов ribosome, то есть рибосома, и sequencing, то есть секвенирование — расшифровка последовательности нуклеиновой кислоты). Как узнать, где на мРНК в данный момент времени находится рибосома? Для этого нужно прочитать последовательность мРНК, которую рибосома покрывает. Представим, что есть множество молекул мРНК, синтезированных на одном и том же гене. На каждой копии мРНК сидит множество рибосом: это малые субчастицы, которые только-только сели на мРНК и готовятся сканировать её лидер, это рибосомы, которые стоят на старте и готовятся начать синтез, это рибосомы, уже вовсю синтезирующие белок, и т. д. Существуют антибиотики, которые могут заморозить рибосому в определённой точке её пути — например, в момент, когда малая субчастица узнала старт-кодон и соединилась с большой субчастицей. Остановив рибосомы, исследователи затем используют специальный фермент, расщепляющий мРНК между рибосомами. А дальше читают те фрагменты мРНК, которые рибосомы прикрыли от фермента. По этим сохранившимся фрагментам можно посчитать, насколько больше и насколько меньше рибосом сидело на разных участках мРНК. Таким способом можно выяснить, что рибосомы предпочли какой-нибудь нестандартный старт. То же самое можно проделать для разных мРНК. А меняя условия, в которых живут клетки, можно узнать, когда именно аппарат трансляции вдруг решает синтезировать альтернативные белки, закодированные в одной и той же мРНК.
Исследователи применили этот метод к крысиным клеткам, которым урезали кислород и глюкозу. По сути, такие условия похожи на то, что происходит в сердце и мозге (и других органах) при ишемической болезни и инсульте, так что практическое значение подобных исследований налицо. Клетка реагирует на меняющиеся условия среды, как следствие, одних белков в ней становится меньше, других — больше. Как можно изменить количество белка? Во-первых, через транскрипцию, то есть через количество мРНК-копий, синтезируемых на гене. Во-вторых, через трансляцию, то есть через количество самого белка, синтезируемого на мРНК. Дмитрий Андреев и его коллеги показали, что при недостатке кислорода и глюкозы изменения на уровне транскрипции затрагивают только около сотни генов и занимают около часа. А вот на уровне трансляции изменения происходят намного быстрее, в течение 20 минут, и затрагивают примерно три тысячи генов. Если речь идёт о том, как организм приспосабливается к гипоксии, эту разницу между транскрипцией и трансляцией нельзя не учитывать.
В смысле трансляционных изменений исследователи обнаружили много случаев тех самых нестандартных стартов, о которых говорилось выше. Главный старт на мРНК становится неглавным, рибосомы выбирают стартовые точки в лидере, который в других условиях они просто проезжают без остановок. В результате с мРНК сходит удлинённая версия белковой молекулы. В некоторых случаях с одной и той же мРНК сходят два совершенно разных белка: один синтезируется как обычно, а другой — со сдвигом рамки считывания, когда рибосома сдвигается на одну генетическую букву и перед ней открывается последовательность совсем других триплетов.