Как «рискованные» аминокислоты прерывают синтез белка

Жизнь зависит от точного функционирования множества белков, синтезируемых в клетках рибосомами. Этот разнообразный набор белков, протеом, поддерживается за счёт стабильного процесса трансляции — элонгации (удлинения) цепочки аминокислот в рибосоме. Механизмы трансляции, обеспечивающие удлинение растущих полипептидных цепей без их отсоединения, консервативны у всех живых организмов. Однако скорость элонгации непостоянна. Её часто прерывают взаимодействия между положительно заряженными растущими полипептидами и отрицательно заряженной рибосомной РНК.

Исследования показали, что в прокариотических клетках Escherichia coli растущие пептидные цепи не только нарушают элонгацию, но и дестабилизируют сами рибосомы. Такой тип преждевременного прекращения трансляции называется внутренней дестабилизацией рибосомы (intrinsic ribosome destabilization, IRD). Было установлено, что IRD в основном запускается растущими пептидами, N-концы которых богаты последовательностями аспарагиновой и глутаминовой кислот. Поскольку механизмы трансляции консервативны, учёные задались вопросом, наблюдается ли подобное явление в клетках эукариот (растений, грибов, животных).

Группа исследователей из Японии под руководством профессора Хидэки Тагути из Токийского технологического института смогла дать ответ на этот вопрос. В своём исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда использовала клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae и реконструированную бесклеточную систему трансляции для изучения феномена IRD у эукариот.

«Предыдущие работы изучали влияние последовательностей аспарагиновой и глутаминовой кислот на трансляцию в бактериальных рибосомах. Однако о клетках эукариот известно немного. Поэтому мы выбрали эукариотический организм — дрожжи — чтобы исследовать преждевременное прекращение трансляции и возможные механизмы противодействия IRD», — поясняет профессор Тагути, один из авторов-корреспондентов исследования.

Команда обнаружила, что, как и у бактерий, растущие пептидные цепи, обогащённые аспарагиновой (D) или глутаминовой (E) кислотой в N-концевой области, приводят к прерыванию трансляции в клетках дрожжей посредством IRD. Также было установлено, что накопление пептидил-тРНК ингибирует рост дрожжей, лишённых фермента пептидил-тРНК-гидролазы.

«Пептидил-тРНК, образующиеся в результате IRD, расщепляются пептидил-тРНК-гидролазой, которая рециклирует их вне рибосомного комплекса. Накопление этих абортивных пептидил-тРНК токсично, поскольку дрожжи, лишённые этого фермента, не могут расти при сверхэкспрессии последовательностей, склонных вызывать IRD», — говорит профессор Тагути.

Проведённый командой биоинформатический анализ, однако, выявил уникальный способ, которым клетки дрожжей снижают риск IRD. Оказалось, что в протеомах наблюдается смещённое распределение аминокислот: процесс элонгации трансляции избегает аминокислотных последовательностей с участками из D/E в N-концевой области.

Это исследование даёт новое понимание динамики элонгации в клетках эукариот и существующих компенсаторных механизмов для снижения ошибок трансляции при синтезе белка. «Понимание факторов, влияющих на общее использование аминокислот в протеомах, может помочь нам улучшить экспрессию рекомбинантных белков. Это важно для производства полезных белков, которые могут иметь клиническое и промышленное применение», — заключает профессор Тагути.