РНК на коротком поводке

Сразу две работы в последнем номере Science посвящены исследованию фундаментально важного для жизни любой клетки процесса биосинтеза белка. Оказалось, что давно помещенный на страницы учебников механизм еще не до конца понятен самим ученым. В частности, причины тесной взаимосвязи, в которой протекают две основные стадии процесса – транскрипция и трансляция ДНК, – до последнего времени не были известны.

Об исследовании, которое, возможно, скоро попадет на страницы энциклопедий, рассказал его руководитель – профессор Университета Нью-Йорка и глава лаборатории «ГеронЛаб» в Москве Евгений Нудлер.

– В чем важность полученных результатов?
–Начнем с азов – того, что все проходят в курсе общей биологии 10–11 класса. В ДНК закодирована информация, то есть гены. И эти гены, эту информацию, в процессе жизнедеятельности клетки необходимо преобразовать в белок. Преобразование генетического кода в белок проходит в два этапа. Первый этап – транскрипция, когда фермент РНК-полимераза снимает копию с ДНК, синтезируя РНК (ДНК имеет структуру двойной спирали, а РНК – одинарной нити). РНК, в свою очередь, служит матрицей второго этапа – трансляции, которая осуществляется рибосомами. На этой стадии информация из РНК перекодируется непосредственно в белок, то есть рибосомы – машина для синтеза белка.

С конца 50-х годов известно, что эти два процесса в бактериях объединены, сочетаются в пространстве. Когда идет синтез РНК (то есть РНК-полимераза «едет» по ДНК, еще до полного завершения синтеза), рибосома уже «садится» на РНК и начинает свой синтез. Но это почти все, что и было известно. Не была понятна функциональная сторона, не было понятно, почему нужно, чтобы эти два процесса были связаны.

То, что нам удалось обнаружить, стало полной неожиданностью.

Оказалось, что рибосома, которая «едет» позади РНК-полимеразы, контролирует процесс транскрипции, то есть то, с какой скоростью РНК-полимераза «едет» по ДНК.

Этот механизм можно сравнить с ситуацией, когда хозяин ведет свою собаку на жестком поводке. Вместо того чтобы собака тянула хозяина, последний толкает ее вперед. Причем собака убежать не может из-за все того же поводка

Из этого факта следует масса очень важных выводов. Так как рибосома контролирует скорость транскрипции, то эти два процесса синхронизированы идеально. Это важно, чтобы транскрипция не шла впустую: клетке не нужно синтезировать РНК, если она бесполезна, если биосинтез белка дальше идти не может. Если РНК полимераза «убежит» от рибосомы, то ее остановит другой специальный белок – терминационный фактор. Он отслеживает, не остановилась ли работа рибосом. Если он замечает паузу, то «прыгает» на РНК-полимеразу и снимает ее с ДНК.

Этот механизм чрезвычайно важен для энергетического баланса клетки, для ее устойчивости. Нельзя допустить, чтобы энергоемкий процесс транскрипции был бессмысленным, безрезультатным. Бактерия устроена так, чтобы максимально экономить энергию. Это дает ей шанс выживать и конкурировать с другими бактериями, например. Питательных веществ всегда не хватает, поэтому все рассчитано, чтобы оптимально экономично расходовать энергию в клетке и подстраиваться под те или иные условия среды.

Мы также объяснили смысл, причину, по которой эти два процесса так хорошо синхронизированы. Рибосома является основным сенсором питательных веществ. Когда клетка голодает, это отражается на эффективности работы рибосом: необходимых субстратов становится мало, и рибосома работает медленнее. Для РНК-полимеразы количество субстратов в основном постоянно. Поэтому логично, чтобы именно рибосома контролировала скорость, а не РНК-полимераза. Рибосома по определению не может работать быстрее полимеразы, потому что она едет только по уже построенной матрице РНК. Поэтому природа очень разумно отдала функции контроля именно рибосоме.

Для проверки наших гипотез мы провели эксперименты по ускорению или замедлению работы рибосом разными способами.

Например, антибиотики могут ее тормозить, а некоторые мутации – заметно ускорять. И то, и другое приводит к идеальному симбатному и синхронному изменению скорости транскрипции. Меняется она и в зависимости от стадии роста: например, если клетка начинает голодать, то это отражается на рибосоме и на полимеразе.

Кроме того, мы смогли объяснить, как на молекулярном уровне достигается эта синхронизация. РНК-полимераза осциллирует на большинстве участков в процессе движения по ДНК. То есть сразу после движения вперед она проскальзывает назад. Этот процесс называется «обратное движение»: это движение как на льду и происходит спонтанно. Из-за этого ее скорость меньше, чем могла бы быть. Можно было бы подумать, что что-то у нее не в порядке, что это недочет в работе. Однако на самом деле в этом и заключается глубинный смысл функционирования системы: именно так можно регулировать процесс и скорость движения. Фактически РНК-полимераза с трудом двигается самостоятельно. Она пытается слететь назад, и только рибосома, ведущая «за ее спиной» последующий синтез белка, ее подталкивает вперед. Если рибосома не работает, такой механизм обеспечивает и торможение РНК-полимеразы. РНК находится в узком канале РНК-полимеразы: в нем она, как нитка через игольное ушко, продергивается туда-обратно. И если сзади сидит некий «узелок» (рибосома), нитка физически не может съехать обратно – и фермент движется вперед.

Несколько лет назад наша группа опубликовала работу в Science на похожую тему. По сходному механизму работает и сама РНК-полимераза.

Обычно по одной молекуле ДНК едут сразу несколько молекул РНК-полимеразы – паровозиком.

«Состав» тем длиннее, чем активнее экспрессируется ген: они могут ехать прямо одна за другой. Поэтому, если одна из передних молекул «спотыкается», задняя не дает ей дать сбой и толкает ее вперед. Таким образом происходит кооперативное ускорение движения: вместе они едут быстрее.

Теперь мы видим, что такое ускорение могут осуществлять и рибосомы. Получается, что чем активнее ген, тем лучше он будет транскрибироваться и транслироваться, тем быстрее этот процесс будет идти. Несмотря на высокую скорость считывания участков ДНК РНК-полимеразой (десятки нуклеотидов в секунду), общая скорость невысока, из-за того что молекулы-гены очень длинные, особенно у клеток эукариотов. Чтобы считать тысячи и миллионы нуклеотидов в гене, требуются минуты и даже часы. А чем быстрее будет ехать РНК-полимераза, тем быстрее будет экспрессироваться ген.

– Каково возможное практическое применение ваших результатов?
–Теперь мы знаем, что два ключевых процесса в экспрессии гена – транскрипция и трансляция – напрямую связаны между собой физически, о чем раньше было неизвестно. Если есть связь, значит есть и возможность разобщить эти процессы, чтобы прервать успешную транскрипцию. В этом же выпуске Science публикует структурную работу, описывающую возможный мостик между РНК-полимеразой и рибосомой. Авторы утверждают, что их связывает жесткий мостик из двух других белков: один из них связан с рибосомой, другой с РНК-полимеразой. Мы, со своей стороны, начали проверку этих результатов. Если нам удастся показать, что этот мостик действительно важен и что его разрыв сможет нарушить синхронизацию РНК-полимеразы и рибосом, то это может быть новым способом нарушать генную экспрессию в бактериях. На базе этой концепции могут быть разработаны новые высокоэффективные антибиотики – молекулы, которые будут этот мостик разрывать, то есть нарушать нормальную экспрессию генов в бактериях.

– Расскажите об авторском коллективе и истории работы.
– Эта работа была в основном сделана в России. Как вы видите, у первого автора работы Сергея Прошкина указаны два места работы – Нью-Йорк и Москва. Он начинал эту работу в Нью-Йорке, в моей в лаборатории, а потом вернулся в Москву. Благодаря фонду «Династия», который выделил мне грант и позволил основать лабораторию в Москве, я смог пригласить Сергея на работу, и все дальнейшие исследования были проведены уже там на средства фонда «Династия».

Я считаю, что это очень хороший, очень показательный пример того, что в России при правильной организации можно делать науку на мировом уровне и публиковать результаты в самых престижных ведущих мировых журналах.

Это первая статья, которая вышла из нашей российской лаборатории «ГеронЛаб». Однако это не единственное направление работы. Несколько публикаций находятся в процессе доработок, на разных стадиях, и мы надеемся, что они тоже будут хорошо приняты научным сообществом. Первая ласточка получилась очень неплохая.

Наша лаборатория по-своему уникальна. Это, по-моему, единственная такая лаборатория в России: она не зависит ни от каких структур – ни от Академии наук, ни от университетов. Однако тесно сотрудничает с несколькими научными институтами в Москве и Питере, в первую очередь с НИИ генетики на Варшавском шоссе. Официально она зарегистрирована как некоммерческая организация и называется «ГеронЛаб», потому что одна из основных тем работы – механизмы старения клетки. В эту лабораторию мы пришли с рядом тем, которые были начаты ранее, и эта работа тоже продолжение старой темы. В рамках «ГеронЛаба» финансирование шло исключительно от фонда «Династия», и это позволило организовать такое уникальное предприятие.

Хочется надеяться, что мы своим примером показываем, что если просто создать неплохие условия работы, то ученые как я, которые чего-то добились на Западе, могут организовывать продуктивные группы в России, делить свое время между работой за границей и в своей стране так, что обе стороны только выиграют. Для уехавших состоявшихся ученых это замечательный шанс расширить возможности, интересы, делать новые разработки, используя талантливых и квалифицированных специалистов в России. В свою очередь, молодые российские ученые не будут уходить из науки или уезжать за границу, а продолжат достойно заниматься любимым делом в России и будут учиться тому, как надо делать науку на международном уровне.