Исследователи обнаружили, что клеточные рабочие лошадки, называемые рибосомами, которые отвечают за преобразование генов, кодируемых в РНК, в белки, демонстрируют невиданное ранее разнообразие в своем составе, что значительно влияет на их функции. В частности, белковые компоненты рибосомы служат для настройки крошечной машины так, чтобы она специализировалась на трансляции генов в связанных клеточных путях.
Например, один тип рибосом предпочитает транслировать гены, участвующие в клеточной дифференцировке, а другой специализируется на генах, которые выполняют важные метаболические функции.
Открытие шокирует, потому что исследователи десятилетиями считали, что рибосомы функционируют как крошечные автоматы, не проявляя никакого предпочтения, поскольку они переводят любые и все близлежащие молекулы РНК в белки. Теперь выясняется, что широкие вариации в производстве белка могут быть вызваны не изменениями уровней экспрессии тысяч отдельных генов, а небольшими изменениями в рибосомальных белках.
‘Широкие последствия’
«Это открытие было совершенно неожиданным», – сказала Мария Барна, доктор философии, доцент кафедры биологии развития и генетики. "Эти открытия, вероятно, изменят догму о том, как транслируется генетический код. До сих пор считалось, что от 1 до 10 миллионов рибосом в клетке идентичны и взаимозаменяемы.
Теперь мы открываем новый уровень контроля над экспрессией генов, который будет иметь широкое значение для фундаментальной науки и болезней человека."
Барна – старший автор исследования, которое будет опубликовано в Интернете 15 июня в Molecular Cell. Ученые-постдокторанты Чжэнь Ши, доктор философии, и Котаро Фуджи, доктор философии, разделяют ведущее авторство.
Барна – исследователь стволовых клеток Робертсона из Нью-Йорка, а также член Стэнфордского исследовательского института Bio-X и здоровья детей.
Работа основана на предыдущем исследовании лаборатории Барны, опубликованном 1 июня в Cell. Ведущим автором этого исследования был докторант Дениз Симсек, доктор философии. Он показал, что рибосомы также различаются по типам белков, которые они накапливают на своей внешней оболочке.
Он также идентифицировал более 400 белков, связанных с рибосомами, называемых RAP, и показал, что они могут влиять на функцию рибосом.
Каждый студент-биолог изучает основы того, как генетический код используется для управления клеточной жизнью. В общих чертах ДНК в ядре несет в себе инструкции по построению около 20000 генов. Гены выбираются для экспрессии белками, которые приземляются на ДНК и «транскрибируют» последовательность ДНК в короткие фрагменты мобильной или информационной РНК, которые могут покидать ядро.
Попадая в цитоплазму клетки, РНК связывается с рибосомами и транслируется в цепочки аминокислот, известных как белки.
Каждая живая клетка имеет до 10 миллионов рибосом, плавающих в клеточном супе. Эти крошечные двигатели сами по себе представляют собой сложные структуры, содержащие до 80 отдельных основных белков и четыре молекулы РНК.
Каждая рибосома состоит из двух основных субъединиц: одна, которая связывается с транслируемой молекулой РНК и «считывает» ее, а другая собирает белок на основе схемы РНК. Как впервые показано в исследовании Cell, рибосомы также собирают ассоциированные белки, называемые RAP, которые украшают их внешнюю оболочку, как украшения рождественской елки.
‘Намеки на более сложный сценарий’
«До недавнего времени считалось, что рибосомы играют важную, но закулисную роль в клетке, просто воспринимая и слепо транслируя генетический код», – сказал Барна. "Но в последние пару лет появились некоторые интригующие намеки на более сложный сценарий.
Некоторые генетические заболевания человека, вызванные мутациями в рибосомных белках, влияют только на определенные органы или ткани, например. Это было очень непонятно. Мы хотели пересмотреть представление из учебников о том, что все рибосомы одинаковы."
В 2011 году сотрудники лаборатории Барны показали, что один ядерный рибосомный белок, названный RPL38 / eL38, необходим для формирования соответствующего паттерна строения тела млекопитающих во время развития; у мышей с мутацией в этом белке развились дефекты скелета, такие как дополнительные ребра, лицевые расщелины и аномально короткие, деформированные хвосты.
Ши и Фуджи использовали технологию количественной протеомики, называемую мониторингом выбранных реакций, для точного расчета количества или стехиометрии каждого из нескольких рибосомных белков, выделенных из рибосом в эмбриональных стволовых клетках мыши. Их расчеты показали, что не все рибосомальные белки всегда присутствовали в одном и том же количестве. Другими словами, рибосомы отличались друг от друга по своему составу.
«Мы впервые осознали, что с точки зрения точной стехиометрии этих белков существуют значительные различия между отдельными рибосомами», – сказал Барна. "Но что это значит, когда речь идет о фундаментальных аспектах клетки, о том, как она функционирует??"
Чтобы выяснить это, исследователи пометили различные рибосомные белки и использовали их для выделения молекул РНК, которые транслируются рибосомой. Результаты были непохожи на то, что они могли себе представить.
«Мы обнаружили, что если сравнить две популяции рибосом, они демонстрируют предпочтение трансляции определенных типов генов», – сказал Ши. "Один предпочитает переводить гены, связанные с метаболизмом клетки; другой, скорее всего, переводит гены, которые делают белки, необходимые для эмбрионального развития.
Мы обнаружили целые биологические пути, представленные трансляционными предпочтениями определенных рибосом. Это похоже на то, что у рибосом есть какое-то укоренившееся знание о том, какие гены они предпочитают переводить в белки."
Выводы совпадают с результатами исследования Cell.
Эта статья «показала, что рибосомы – это не только 80 основных белков», – сказал Симсек. «Мы определили сотни RAP как компоненты клеточного цикла, энергетического метаболизма и клеточной сигнализации. Мы считаем, что эти RAP могут позволить рибосомам более динамично участвовать в этих сложных клеточных функциях."
«Барна и ее команда сделали большой шаг к пониманию того, как рибосомы контролируют синтез белка, глядя на невозмущенные стволовые клетки млекопитающих», – сказал Джейми Кейт, доктор философии, профессор молекулярной и клеточной биологии и химии Калифорнийского университета в Беркли. «Они обнаружили« встроенные »регуляторы трансляции для подмножества важных мРНК и наверняка найдут больше в других клетках. Это важный шаг вперед в этой области."Кейт не принимала участия в исследовании.
Освобождение клеток от микроуправления экспрессией генов
Тот факт, что рибосомы могут различаться среди своих основных белковых компонентов, а также среди связанных с ними белков, RAP, и что эти различия могут значительно влиять на функцию рибосом, подчеркивает способ, которым клетка может трансформировать свой белковый ландшафт, просто изменяя рибосомы таким образом, чтобы они предпочитают транслировать один тип генов – скажем, те, которые участвуют в метаболизме – над другими. Эта возможность освободит клетку от необходимости микроуправления уровнями экспрессии сотен или тысяч генов, участвующих в отдельных путях. В этом сценарии может быть доступно гораздо больше информационных РНК, чем может быть транслировано в белки, просто на основе того, что предпочитает большинство рибосом, и это предпочтение может быть настроено путем изменения экспрессии всего нескольких рибосомных белков.
Барна и ее коллеги теперь планируют проверить, изменяется ли распространенность определенных типов рибосом во время основных клеточных изменений, например, когда клетка входит в клеточный цикл после отдыха или когда стволовая клетка начинает дифференцироваться в более специализированный тип клеток.
Они также хотели бы узнать больше о том, как рибосомы могут различать классы генов.
Хотя результаты этих двух работ представляют новую концепцию генетической регуляции внутри клетки, они имеют своего рода смысл, говорят исследователи.
«Около 60 процентов энергии клетки тратится на создание и поддержание рибосом», – сказал Барна. "Мысль о том, что они не играют никакой роли в регуляции генетической экспрессии, в ретроспективе кажется немного глупой."