Нестандартный биосинтез, мюоны и грозы, и высокочастотные волны от реки

Наука и жизньНаука

Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2020 года

Материалы подготовили Татьяна Зимина, Алексей Понятов и Кирилл Стасевич.

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.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Девушка на Кубе Девушка на Кубе

Катя Бобкова позирует в горячей, солнечной и морской фотосессии

Maxim
До силикона использовали металл: история пластической хирургии До силикона использовали металл: история пластической хирургии

История пластической хирургии начинается с Древнего Египта

Cosmopolitan
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Все в твоих руках: 12 правил укладки тонких и длинных волос Все в твоих руках: 12 правил укладки тонких и длинных волос

Тонкие волосы отлично поддаются укладке, если ты держишь в уме эти советы

Cosmopolitan
Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами

Каждую секунду Земле проходят более 60 миллиардов нейтрино

Наука и жизнь
«Когда б не баня, все бы мы пропали. История старинной русской традиции» «Когда б не баня, все бы мы пропали. История старинной русской традиции»

Баня занимает особый статус в русской культуре

N+1
Цветы, сокрытые в тени Цветы, сокрытые в тени

Растение, похожее на ниндзя — кислица

Наука и жизнь
Тебя выдает лак для ногтей: выбор оттенка многое говорит о характере! Тебя выдает лак для ногтей: выбор оттенка многое говорит о характере!

Что расскажут о твоем характере любимые цвета лака для ногтей?

Cosmopolitan
Живительный церий Живительный церий

Прообразы будущих препаратов, которые могли бы получить практическое применение

Наука и жизнь
Стоит ли смотреть на бесстрашную Эмили Блант в хорроре «Тихое место 2» Стоит ли смотреть на бесстрашную Эмили Блант в хорроре «Тихое место 2»

Насколько хорошим получился сиквел «Тихого места»?

GQ
Чем грозит слабеющий гольфстрим? Чем грозит слабеющий гольфстрим?

Новые данные, уточняющие поведение Гольфстрима

Наука и жизнь
Надежда есть: вакцина от болезни Альцгеймера прошла клинические испытания Надежда есть: вакцина от болезни Альцгеймера прошла клинические испытания

Жизнь пациентов с болезнью Альцгеймера может существенно измениться

Cosmopolitan
Дом, который построил Джон Дом, который построил Джон

Английское поместье Хэтфилд-хаус пользуется славой у кинематографистов

Караван историй
Валерия Гай Германика: о семье, возвращении в документальное кино и новом фильме «Папа» Валерия Гай Германика: о семье, возвращении в документальное кино и новом фильме «Папа»

Валерия Гай Германика — о конфликте поколений и съемках близких людей

GQ
Критическое масло Критическое масло

Что это за масло, с чем его едят и не ест ли оно нас тем временем само?

Maxim
Как русскоязычная поп-музыка стала думать сердцем и обрела тысячу лиц Как русскоязычная поп-музыка стала думать сердцем и обрела тысячу лиц

Почему неопоп — это наиболее искренняя форма поп-музыки и причем здесь соцсети

РБК
Орловский дуплет Орловский дуплет

Особую сложность при атрибуции портретов представляют изображения военных

Дилетант
Вышли из себя: Канье Уэст, Алексей Панин, Аманда Байнс — звезды, сошедшие с ума Вышли из себя: Канье Уэст, Алексей Панин, Аманда Байнс — звезды, сошедшие с ума

Этих ребят стоит обходить по кривой дуге

Cosmopolitan
Почему не все готовы расстаться… с маской? Почему не все готовы расстаться… с маской?

Почему некоторые люди не мыслят себя без масок?

Psychologies
Эмоциональное планирование: как услышать свои истинные желания Эмоциональное планирование: как услышать свои истинные желания

Мы можем осознавать свои эмоции, в идеале — управлять ими

Psychologies
«Не будь так скромен – ты еще не настолько велик». Почему скромность мешает успеху «Не будь так скромен – ты еще не настолько велик». Почему скромность мешает успеху

Как скромность может отрицательно сказаться на будущем человека?

СНОБ
Каннабис, премиум-шампанское и агенты для спортсменов: на чем заработал свои $1,4 млрд первый рэпер-миллиардер Jay-Z Каннабис, премиум-шампанское и агенты для спортсменов: на чем заработал свои $1,4 млрд первый рэпер-миллиардер Jay-Z

Jay-Z первый рэпер-миллиардером, заработавший состояние не только на музыке

VC.RU
10 ошибок снятия макияжа, которые портят твою кожу 10 ошибок снятия макияжа, которые портят твою кожу

Снятие макияжа в домашних условиях: главные ошибки

Cosmopolitan
Арсений Бродач Арсений Бродач

Арсений Бродач проектирует общественные пространства в российских городах

Собака.ru
Метиленовый синий предложили использовать в качестве солнцезащитного средства Метиленовый синий предложили использовать в качестве солнцезащитного средства

Метиленовый синий может стать безопасной альтернативой оксибензону

N+1
Очарованный мезон поймали за превращением в свою античастицу Очарованный мезон поймали за превращением в свою античастицу

Физики обнаружили осцилляции типа «частица-античастица» состояний мезона

N+1
Болей как Бекхэм! Болей как Бекхэм!

Раз уж футболистом стать не удалось, прокачай свои навыки болельщика!

Maxim
Как почистить подошву утюга в домашних условиях Как почистить подошву утюга в домашних условиях

Рассказываем, как самостоятельно избавиться от загрязнений на подошве утюга

CHIP
Метаанализ указал на связь преждевременного рождения с низким интеллектом во взрослом возрасте Метаанализ указал на связь преждевременного рождения с низким интеллектом во взрослом возрасте

Ученые обнаружили связь между неонатальными патологиями и IQ

N+1
Личная жизнь звезд сериала «Света с того света»: Марии Машковой и других Личная жизнь звезд сериала «Света с того света»: Марии Машковой и других

Узнай о личной жизни актрисы и других звезд киноистории «Света с того света»

Cosmopolitan
Открыть в приложении