Отсутствие структуры облегчает синтез белка

Ученые из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка в Потсдаме обнаружили, что наличие легко доступной стартовой точки на матричной РНК (мРНК) увеличивает образование белка.

Когда генетическая информация в клетках считывается и транслируется в белки, ферменты сталкиваются с проблемой, похожей на чтение текста без пробелов: им необходимо найти правильную стартовую точку для синтеза. У прокариот (одноклеточных организмов без истинного ядра) для этого существует последовательность Шайна-Дальгарно (SD-последовательность) незадолго до стартового кодона, с которой рибосомы могут прочно связываться. Однако гены без этой последовательности также надежно транслируются в белки. Ученые выяснили, что в этом процессе, вероятно, решающую роль играет структура мРНК.

ДНК состоит из четырех оснований: аденина (A), цитозина (C), тимина (T) и гуанина (G). В РНК тимин заменен на урацил (U). Группы из трех оснований (триплеты) кодируют 20 аминокислот, из которых строятся все белки. Стартовым сигналом для рибосом является триплет AUG (старт-кодон), кодирующий аминокислоту метионин. Но поскольку метионин может встречаться и в других местах белка, возникает вопрос, как рибосома отличает стартовый AUG от других.

Роль структуры мРНК

Исследователи Ларс Шарфф и Лиам Чайлдс изучили десятки тысяч генов различных прокариот и клеточных органелл. Они обнаружили, что в зависимости от организма от 15 до 50% всех генов не имеют SD-последовательности. Оказалось, что рибосомы находят стартовый кодон на этих мРНК, потому что он особенно легко доступен.

Обычно мРНК существует не в виде длинной нити, а образует петли и шпильки. Рибосома может связываться только с неструктурированными участками мРНК. «В отличие от генов с последовательностью Шайна-Дальгарно, мРНК вокруг стартового кодона в генах без этой последовательности практически не имеет свернутых структур», — объясняет Шарфф.

Экспериментальное подтверждение

В эксперименте исследователи вносили мутации, разрушающие SD-последовательность, и скорость трансляции мРНК в белки резко снижалась. «Как только мы вносили вторую мутацию, которая одновременно разворачивала структуру мРНК у стартового кодона, этот эффект уменьшался, и синтез белка снова возрастал», — поясняет Чайлдс. Несмотря на отсутствие SD-последовательности, рибосома идентифицирует кодон AUG, потому что он легкодоступен и не скрыт в петлях.

Эти результаты, основанные на структурном анализе мРНК, в будущем позволят лучше предсказывать скорость синтеза белка. Кроме того, может появиться возможность влиять на количество образуемых белков, изменяя структуру мРНК в ту или иную сторону.