Ученые раскрыли химическую основу дополнительного «контроля качества» в производстве белков

Дата: 9 декабря 2009 г.

Даже небольшие ошибки, совершаемые клетками при производстве белков, могут иметь серьезные последствия для развития болезней. Природа разработала механизмы для выявления и исправления этих ошибок. В случае с одной из ключевых «строительных единиц» белка — аминокислотой аланином — природа проявила особую осторожность, создав не один, а два контрольных пункта для обеспечения правильного использования этого компонента.

Ученые из Научно-исследовательского института Скриппса обнаружили химическую причину, по которой необходимы эти экстраординарные усилия. Работа была опубликована 10 декабря 2009 года в престижном журнале Nature.

Правописание аминокислотами и проверка на ошибки

Как буквы алфавита складываются в слова, так и аминокислоты, соединенные в определенном порядке, «записывают» белки. Если аминокислоты поставлены в неправильном порядке, возникают «орфографические ошибки» (мистрансляции), часто с разрушительными последствиями для здоровья организма.

Обычно небольшие молекулы РНК, называемые транспортными РНК (тРНК), доставляют специфические аминокислоты к рибосомам — белковым фабрикам клеток. В начале этого процесса 20 ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз, по одному для каждой из 20 распространенных аминокислот, выбирают правильную аминокислоту и присоединяют ее к соответствующей тРНК.

Однако, как отмечают исследователи, иногда случаются ошибки: «Там, где должен быть аланин, оказывается серин или глицин».

Ранее было показано, что когда фермент аланил-тРНК-синтетаза (AlaRS) ошибочно присоединяет к своей тРНК (тРНК^Ala) не ту аминокислоту, это приводит к накоплению неправильно свернутых белков. У мутантных мышей это вызывает тяжелые неврологические и другие дефекты, а у бактерий E. coli с аналогичной мутацией развивается высокая чувствительность к серину и глицину.

Природа заинтересована в избегании таких дорогостоящих ошибок. Исследования показали, что AlaRS не только загружает тРНК аминокислотой, но и проверяет, присоединила ли она правильную. Более того, многие организмы, от бактерий до человека, имеют дополнительную независимую молекулу-«проверку орфографии» — белок AlaXp, который гарантирует, что аланин не будет спутан с другими аминокислотами.

«Редактирующая функция избыточна», — отмечают ученые. Это порождает вопросы: почему клетки так чувствительны именно к ошибкам с аланином? Почему AlaXp эволюционировал так рано? И почему избыточные белки, которые теоретически не нужны, все еще присутствуют?

Случай ошибочной идентификации

В новой работе в Nature ученые использовали рентгеноструктурный анализ, кинетический и мутационный анализ, чтобы ответить на эти вопросы.

Результаты показали, что одна из причин, по которой AlaRS с трудом отличает аланин от серина и глицина, заключается в том, что активный сайт молекулы AlaRS представляет собой большой гибкий карман. Вместо того чтобы быть жестким замком для одного ключа, эта полость изменяет форму, чтобы удерживать не только целевой аланин, но и молекулы схожего размера — серин и глицин.

Но серин и глицин не совсем того же размера, что и аланин. Здесь возникает «сериновый парадокс». Глицин меньше, а серин больше, чем аланин. Существующая теория не предсказывала, что молекулы, которые одновременно и больше, и меньше аланина, будут проблемой для AlaRS.

«Причина, по которой мы называем это парадоксом, заключается в том, что ни одна из других тРНК-синтетаз не имеет проблемы с неправильной активацией одновременно меньшей и большей аминокислоты», — пояснили авторы.

Неожиданно результаты исследования также показали, что внутри связывающего кармана AlaRS кислотная группа Asp235 создает дополнительную водородную связь с более крупной молекулой серина. Эта дополнительная связь оказывается основной силой, которая помогает удерживать ошибочный серин в кармане, несмотря на его больший размер.

Однако рентгеноструктурный анализ показал, что Asp235 также критически важна для удерживания аминогруппы аланина. Попытки заменить Asp235 на другой остаток (как в лаборатории, так и, вероятно, в ходе эволюции) провалились. Изменение, которое устранило бы взаимодействие с серином, негативно повлияло бы и на взаимодействие с правильной аминокислотой, аланином.

Таким образом, природа разработала другое решение, создав AlaXp, который специально предназначен для обеспечения второй проверки и удаления любого серина, присоединенного к тРНК^Ala.

Вместе большой гибкий карман AlaRS и дополнительная водородная связь с серином объясняют химическую основу частой путаницы глицина и серина с аланином и необходимость дополнительных проверок для гарантии, что в белок будет включен именно аланин, а не его «двойник».

«Теперь мы можем понять, почему природа прилагает столько усилий, чтобы создать два контрольных пункта редактирования», — заключают исследователи.