Микроскопическая техника впервые показывает, где и когда создаются белки

Ученые из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна Университета Йешива и их международные коллабораторы разработали новую технику флуоресцентной микроскопии, которая впервые показывает, где и когда производятся белки. Метод позволяет исследователям напрямую наблюдать отдельные молекулы матричной РНК (мРНК) в процессе их трансляции в белки в живых клетках. Техника, опробованная на живых клетках человека и плодовых мушек, должна помочь выяснить, как нарушения в синтезе белков способствуют аномалиям развития и патологическим процессам, включая связанные с болезнью Альцгеймера и другими расстройствами памяти.

Исследование будет опубликовано в выпуске Science от 20 марта.

«Мы никогда не могли точно определить, когда и где мРНК транслируются в белки», — сказал соавтор исследования Роберт Х. Сингер. «Эта возможность будет критически важна для изучения молекулярной основы болезней, например, того, как нарушение регуляции синтеза белка в клетках мозга может привести к дефициту памяти при нейродегенерации».

Инструкции по созданию белков закодированы в генах в ядре клетки. Два этапа — транскрипция и трансляция — должны произойти, чтобы инструкции гена привели к созданию белков. На первом этапе, транскрипции, ДНК гена «считывается» молекулами мРНК. Затем эти мРНК мигрируют из ядра в цитоплазму и прикрепляются к структурам, называемым рибосомами. Там происходит трансляция, второй этап синтеза белка: мРНК, прикрепленные к рибосомам, служат шаблонами для сборки белков.

Чтобы визуализировать трансляцию, доктор Сингер и его коллеги использовали ключевое событие во время первого раунда трансляции: рибосома, к которой прикрепляются мРНК, должна вытеснить так называемые РНК-связывающие белки с мРНК. Исследователи синтезировали идентичные копии молекул мРНК, содержащие два флуоресцентных белка — зеленый и красный. Это означало, что в ядре (где создаются мРНК) мРНК, меченные обоими белками, выглядят желтыми. После миграции в цитоплазму мРНК могут менять цвет в зависимости от своей судьбы.

Для мРНК, попадающих на рибосомы, рибосома вытесняет их зеленый флуоресцентный белок. В результате эти молекулы мРНК — лишенные зеленых флуоресцентных белков, связанные с рибосомами и готовые к трансляции в белок — выглядят красными. Между тем все нетранслированные молекулы мРНК остаются желтыми. Техника получила название TRICK (Translating RNA Imaging by Coat protein Knock-off).

В тесте TRICK коллабораторы из Германии изучили, когда и где экспрессируются мРНК гена oskar в яйцеклетках (ооцитах) Drosophila. (Drosophila, или плодовые мушки, часто используются как модель для понимания болезней человека, а ген oskar критически важен для нормального развития эмбрионов мух.) Исследователи создали мРНК oskar, помеченные красными и зелеными флуоресцентными белками, и ввели их в ядра ооцитов Drosophila.

«С помощью TRICK мы увидели, что мРНК oskar не транслировались, пока не достигли заднего полюса ооцита», — сказал доктор Сингер. «Мы подозревали это, но теперь у нас есть окончательное доказательство».

Исследователи также обнаружили, что трансляция белка начинается не сразу после выхода мРНК из ядра, а спустя несколько минут после их попадания в цитоплазму. «Мы никогда не знали об этом временном промежутке раньше», — отметил доктор Сингер.