4. Аффинная модификация
Аффинная модификация, или аффинное химическое сшивание, основано на использовании химически активных производных лигандов рибосомы - участников процесса трансляции (тРНК, мРНК и пр.), несущих сшивающие группы в определенных положениях. Такие производные сшивают с рибосомами в составе комплексов, моделирующих ту или иную стадию трансляции, и затем определяют, к каким рибосомным белкам и/или нуклеотидам рРНК они ковалентно присоединились. В результате получают информацию о том, с какими структурными элементами рибосомы соседствует фрагмент лиганда, несущий сшивающую группу. Аффинный реагент обычно несет также метку (чаще всего радиоактивную), позволяющую следить за компонентами рибосомы, к которым он присоединился. Как правило, для изучения функциональных центров рибосом использовали аффинные реагенты на основе тРНК или фрагментов мРНК, поскольку получение аффинных реагентов на основе факторов трансляции – намного более сложная задача. Общая схема эксперимента по аффинной модификации рибосом (в качестве примера приведен реакционноспособный аналог мРНК) выглядит следующим образом:
В становлении и развитии метода аффинной модификации для изучения не только рибосом, но и активных центров ферментов и различных комплексов нуклеиновых кислот огромную роль сыграл Новосибирский институт биоорганической химии АН СССР (с 2003 г. – Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН), основанный академиком Д.Г. Кнорре. Один из отделов этого института - лаборатория Г.Г. Карповой, уже много лет является одним из мировых лидеров по изучению структуры и функции рибосом.
5. Другие методы исследования рибосом
Методы, рассмотренные выше сыграли наиболее значительную роль в установлении структуры рибосомы и строения ее функциональных центров и уже имеют свою историю, однако, ими, конечно, не исчерпывается набор методов, использованных для изучения рибосом. Из методов, которые подробно не были рассмотрены, стоит упомянуть малоугловое рассеяние нейтронов или рентгеновских лучей, позволяющее получать информацию о компактности частицы и радиусе инерции (радиусе вращения), что позволяет судить, в частности, о том, в каком виде частица находится в растворе – в мономерном или олигомерном. Метод ЯМР на ядрах 15N и 13C позволяет, в частности, изучать в растворе динамические свойства рибосомных компонентов или лигандов, связанных с рибосомой. Для изучения прокариотической рибосомы и ее субчастиц используют также группу методов, в основе которых лежит их способность к самосборке in vitro из суммы белков и рРНК. В выбранных участках рибосомного белка или рРНК можно делать замены (или делеции) аминокислотных остатков или нуклеотидов, затем собирать рибосому с участием такой «мутантной» формы белка или рРНК и смотреть, сохраняется ли способность к сборке. Если не сохраняется – значит, данный участок задействован в сборке. Если сборка происходит, то можно выяснить, оказывает ли влияние на какую-либо функцию рибосомы (способность связывать аа-тРНК, факторы трансляции, синтезировать пептидную связь, проводить транслокацию и пр.) сделанная замена или делеция, и таким образом получить информацию об участке белка или рРНК, вовлеченным в выполнение рибосомой данной функции. Эти методы неприменимы к рибосомам эукариот, неспособным к самосборке in vitro.
Заключение
В последние годы произошел прорыв в структурных исследованиях рибосом и рибосомных субчастиц. В ходе исследований строения рибосом были усовершенствованы методы рентгеноструктурного анализа, что позволило описывать с атомарным разрешением взаимодействие рибосомы с белками, управляющими ее работой, и с молекулами тРНК, а также изменения, происходящие в структуре рибосомы в процессе синтеза белка.
Это позволяет по новому взглянуть на процесс биосинтеза белка и соотнести накопленные к настоящему времени биохимические данные со структурными. Особый интерес полученные результаты имеют для исследования РНК-белковых взаимодействий, которые до сих пор изучены достаточно слабо. Модели рибосомы дают весомую базу для анализа РНК-белковых взаимодействий, классификации типов укладок РНК и типов РНК-белковых контактов.
На сегодняшний день рибосомы — самые большие несимметричные макромолекулярные комплексы с установленной структурой (строение вирусов изучать легче в связи с их симметричностью). Можно ожидать, что в дальнейшем рентгеноструктурный анализ будет успешно применен и для исследования строения и работы других крупных макромолекулярных комплексов, например сплайсосом, вырезающих из предшественников информационной РНК некодирующие последовательности (интроны).
Около двух третей массы рибосомы составляет РНК, а около трети — белки. Исследования строения и работы рибосом показали, что функциональную нагрузку в рибосомах несет, прежде всего, РНК. Таким образом, рибосомы — это, по сути, гигантские рибозимы (каталитически активные РНК; ранее считалось, что роль катализаторов могут выполнять только белки). Это открытие говорит в пользу гипотезы, согласно которой на первых этапах существования жизни она представляла собой «мир РНК»: молекулы РНК обеспечивали и хранение наследственной информации, и управление химическими процессами, необходимыми для считывания и воспроизведения этой информации; впоследствии эти функции в ходе эволюции были переданы соответственно ДНК и белкам.
Представления о структуре рибосом находят и непосредственное практическое применение. Многие антибиотики, используемые для лечения инфекционных заболеваний, действуют за счет подавления работы бактериальных рибосом. В лабораториях Йонат, Рамакришнана и Стейца были получены данные о механизме действия ряда таких антибиотиков. Эти данные уже сегодня используются для разработки новых и совершенствования существующих антибиотиков. Задача эта весьма актуальна, поскольку болезнетворные бактерии непрерывно эволюционируют, вырабатывая устойчивость к используемым в медицинской практике средствам, и фармацевтике нельзя отставать от бактерий в этой непрерывной «гонке вооружений».
Список литературы:
Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids // Nature. 1953. V. 171. P. 738-740.
Watson J.D., Crick F.H.C. Genetic implications of the structure of deoxyribose nucleic acid // Nature 1953 V. 171. P. 964-967.
G.E. Palade. (1955) «A small particulate component of the cytoplasm.» J Biophys Biochem Cytol. Jan;1(1): pages 59-68.
Roberts, R. B. (1958) «Introduction» in Microsomal Particles and Protein Synthesis. New York: Pergamon Press.
Nature 2013.Andreas Anger et al. Structure of the human and Drosophila 80S ribosome.
Спирин А.С. Молекулярная биология. Структура рибосомы и биосинтез белка, 1986.
Грайфер Д.М., Моор Н.А. Биосинтез белка: учебное пособие. /Новосиб.гос.ун-т. Новосибирск, 2011.