Клетки отправляют ремонтные бригады для починки поврежденных белковых фабрик

Ученые обнаружили, что при повреждении рибосом — клеточных фабрик по производству белка — окислительным стрессом, к ним могут направляться "ремонтные бригады" для устранения повреждений и быстрого возобновления работы. Это фундаментальное открытие внутренних механизмов клетки.

Исследование, опубликованное в журнале Molecular Cell, может иметь значение для понимания рака, процесса старения, роста и развития, — заявила ведущий автор работы, молекулярный биолог Катрин Карбштайн.

"Буквально более половины массы всех клеток составляют рибосомы. Если их недостаточно или они работают со сбоями, белки синтезируются неправильно, что может привести к множеству заболеваний. Например, дефекты в аппарате рибосом обнаруживаются во всех раковых клетках".

В человеческой клетке может работать до 10 миллионов рибосом, собирающих белки в соответствии с генетическим кодом. Хотя их могут повреждать инфекции, ультрафиолет, радиация или окислительный стресс, клетки обладают замечательной способностью к самозащите. Обычно поврежденные элементы помечаются на уничтожение, расщепляются и перерабатываются. Однако, учитывая критическую важность большого количества рибосом, разрушение каждой поврежденной единицы проблематично.

В своем исследовании Карбштайн и коллеги обнаружили альтернативный путь, специфичный для повреждений от окислительного стресса. Он возникает, когда высокореактивные молекулы кислорода, образующиеся в процессе энергетического метаболизма, ищут стабильное место. Часто таким местом становятся белки. Введение избыточного кислорода может изменить и повредить молекулу-реципиент. В случае рибосом это может полностью остановить сборку белка.

Ученые выяснили, что рибосомы устраняют это нежелательное повреждение с помощью молекул-помощников, которые действуют как шапероны, "выводя" поврежденный сегмент из рибосомы. Повреждение быстро устраняется, и рибосома возвращается к работе. Таким образом, клетка избегает более трудоемкого процесса полного разрушения и создания новых рибосом, а также риска внезапной потери их пула.

"Обычно, когда белки ломаются, клетка просто их уничтожает. Рибосома — это очень большой комплекс РНК и белков, поэтому, возможно, если поврежден участок, не стоит выбрасывать всю конструкцию. Это как замена спущенной шины, а не покупка новой машины".

Процессом движет биохимия. Молекулы аминокислоты цистеина в рибосоме часто становятся мишенью для свободных радикалов кислорода. Окислительное повреждение изменяет их так, что, если поблизости находятся молекулы-шапероны, они предпочитают отсоединиться от рибосомы и связаться с шапероном. Когда они покидают рибосому, неповрежденные аминокислоты занимают их законные места, устраняя брешь и восстанавливая производство белка.

Биохимические исследования стали возможны благодаря открытиям лаборатории химика Кейт Кэрролл, разработавшей специальные реагенты и методы для мониторинга окислительного повреждения аминокислот цистеина.

Первым автором статьи стал постдокторант лаборатории Карбштайн, Юн-Мо (Джейсон) Ян. Хотя открытие было сделано на дрожжах, эта система ремонта рибосом, по-видимому, консервативна для многих видов, включая человека. Например, исследования нейронов человека указывают на аналогичный феномен.

"Все живые организмы подвержены окислительному стрессу, поэтому повреждение белков происходит у всех живых существ. Мы подозреваем, что механизмы ремонта рибосом существуют у каждого живого организма, включая человека".

Впереди у ученых множество вопросов. Они обнаружили два шаперона; существуют ли другие? Многие антибиотики выводят из строя рибосомы, так могут ли ремонтные механизмы у бактерий помогать им избегать действия антибиотиков? Дрожжевые клетки, лишенные шаперонов, плохо растут и выглядят менее жизнеспособными, так может ли это влиять на старение, рост и развитие? Это лишь некоторые из вопросов, которые поднимает данное открытие.

"Я думаю о том, как мы можем применить это к парадигме старения. Это точно как собирать пазл. У тебя есть один фрагмент, потом другой, и затем ты говоришь: 'О, вот как все кусочки складываются'. Так что предстоит найти еще много фрагментов".