Определена структура малой субъединицы эукариотической рибосомы

Рибосомы — это большие молекулярные машины, состоящие из молекул РНК и белков, которые присутствуют во всех живых клетках. Их биологическая роль заключается в осуществлении трансляции — процесса биосинтеза белковых молекул, в ходе которого последовательность аминокислот в полипептидных цепях однозначно определяется информацией генетического кода. В 2000 году ученые определили атомную структуру малой субъединицы бактериальной рибосомы и большой субъединицы рибосомы архебактерий. Это позволило гораздо лучше понять работу трансляционного аппарата у прокариотических организмов. Теперь удалось определить молекулярную структуру малой субъединицы эукариотической рибосомы в комплексе с фактором инициации трансляции eIF1 с разрешением 3,9 ангстрем.

Рибосомы всех живых организмов состоят из двух субъединиц — малой субъединицы, которая декодирует информацию с молекул матричных РНК (мРНК), и большой субъединицы, которая катализирует образование пептидной связи между растущей полипептидной цепочкой будущего белка и каждой последующей аминокислотой. По сравнению с рибосомами бактерий эукариотические рибосомы гораздо крупнее (около 4300 кДа) и сложнее в организации (имеют дополнительные 45 белков и две рибосомальные РНК). Хотя их основные функции довольно консервативны у всех живых организмов, тем не менее процесс инициации белкового синтеза у эукариот существенно отличается от аналогичного процесса прокариот.

Стадия инициации белкового синтеза у эукариот является регуляторной мишенью в ряде клеточных процессов, включая развитие, процессы дифференцировки, реакцию на стресс и нейронное функционирование. Многие заболевания, включая рак и нарушения метаболизма, связаны с нарушением регуляции инициации трансляции. Центральную роль в этом процессе играет малая рибосомальная субъединица (40S) — она связывается с факторами инициации, которые запускают сканирование мРНК и начало белкового синтеза. Причем если в бактериальном аппарате трансляции используется только три фактора инициации, то трансляция эукариот зависит как минимум от 12 факторов инициации, которые упорядоченно собраны в малой субъединице. Также необходимо отметить, что, в отличие от бактерий, у эукариотических организмов сборка рибосом происходит в разных клеточных компартментах.

Группе ученых из Института молекулярной биологии и биофизики (Цюрих, Швейцария) удалось кристаллизовать комплекс малой 40S-субъединицы эукариотической рибосомы и фактора инициации eIF1 и определить кристаллическую структуру с разрешением 3,9 ангстрем. Благодаря комбинации методик по моделированию атомных структур, авторы построили пространственную модель рибосомальной 40S-субъединицы, а также определили третичную структуру всей молекулы 18S-рибосомальной РНК (рРНК); см. рис. 1.

Рис. 2. Архитектура 40S-субъединицы. Рибосомальные белки малой 40S-субъединицы показаны схематично и окрашены в разные цвета (названия также отмечены). рРНК окрашена в серый цвет. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

Эукариотическая 40S-субъединица содержит 33 белковые молекулы, 18 из которых отсутствуют у бактерий. В результате данного исследования были показаны пространственные укладки всех рибосомальных белков малой 40S-субъединицы (рис. 2 и 3).

Рис. 3. Пространственная укладка рибосомальных белков малой 40S-субъединицы. Структурные элементы белковых молекул отмечены разными цветами, в зависимости от распространенности среди царств живых организмов. Элементы, обозначенные голубым цветом, присутствуют во всех царствах живого; оранжевым цветом обозначены структурные элементы, обнаруженные в царстве архей; красным — обнаруженные только у эукариот. Рядом с каждым схематическим изображением обозначено название белка, а также N-/C-домены (см. N-terminus и C-terminus). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

К настоящему моменту известно, что для преодоления стерических (пространственных) помех во время процесса трансляции, обусловленных элементами вторичной структуры мРНК, рибосомы обладают внутренней хеликазной активностью, чтобы расплетать молекулы мРНК. В ходе исследования был смоделирован канал для мРНК в эукариотической рибосоме, особенности которого по сравнению с аналогичной структурой бактериальных рибосом также обуславливают разницу при инициации трансляции (рис. 4A).

Теперь известно, что эукариотические рибосомальные белки образуют протяженные контакты между собой, а не с рРНК, как у прокариот. Полученные данные позволяют говорить о том, что форма «клюва» эукариотической малой субъединицы похожа на такую же структуру у малой субъединицы прокариотической рибосомы, но состоит в основном из белков, а не из РНК (рис. 4B).

Рис. 4. A) Модель канала для продвижения мРНК через рибосому. Внутрь канала направлены аминокислотные остатки рибосомальных белков «головы» и «плеча» 40S-субъединицы. Ниже для сравнения расположено изображение бактериальной малой 30S-субъединицы в такой же ориентации, как и 40S-субъединица. Аминокислотные остатки, ответственные за хеликазную активность у бактериальной рибосомы, отмечены красным цветом. B) Модель структурного элемента «клюв» эукариотической рибосомы. У эукариот молекула рРНК в структурном элементе «клюв» редуцирована и содержит мотив «изгиб-поворот», к которому присоединен белок rpS12e. Ниже показан структурный элемент «клюв» бактериальной рибосомы, который преимущественно сформирован молекулой рРНК. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

Эукариотический фактор инициации eIF1 не имеет структурных гомологов у бактерий, хотя некоторые функции у него схожи с бактериальным фактором инициации трансляции IF3. Фактор eIF1 играет важную роль в инициации трансляции у эукариот — с его участием происходит переход 40S-субъединицы в конформацию, готовую к сканированию мРНК. Во время сканирования фактор eIF1 способен распознать стартовый кодон трансляции, далее происходит его диссоциация из инициаторного комплекса, что приводит к формированию закрытого комплекса у малой 40S-субъединицы. В данной работе авторы впервые показали точную локализацию и характер взаимодействия инициаторного фактора eIF1 с 40S-субъединицей (рис. 5), что приоткрывает занавес над вопросом о взаимодействии фактора eIF1 и инициаторной транспортной РНК (тРНК).

Рис. 5. Эукариотический фактор инициации трансляции, связанный с 40S-субъединицей рибосомы. Фактор инициации eIF1 связывается с аминокислотными остатками (отмечены красным) с фосфатным остовом 18S рРНК (отмечен серым цветом). Основная петля фактора eIF1 обнаружена на близком расстоянии к каналу для продвижения молекулы мРНК (место отмечено стрелкой). Зеленым цветом отмечены элементы фактора eIF1, ответственные за распознавание кодонов. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

Таким образом, определение кристаллической структуры 40S-субъединицы демонстрирует функциональные и эволюционные особенности эукариотических рибосом. Для дальнейшего уточнения полученных данных и ответов на вопросы о сборке, созревании и транспортировке 40S-субъединиц необходимы биохимические и генетические эксперименты, отправной точкой для которых послужит полученная в результате данной работы структура.

Источник: Julius Rabl, Marc Leibundgut, Sandro F. Ataide, Andrea Haag, Nenad Ban. Crystal Structure of the Eukaryotic 40S Ribosomal Subunit in Complex with Initiation Factor 1 // Science. 11 February 2011. V. 331. P. 730–736.

См. также:
Тайна происхождения рибосом разгадана?, «Элементы», 27.02.2009.

Максим Нагорных