Работа в унисон

В процессе синтеза белков каждая аминокислота доставляется к рибосоме индивидуально с помощью специализированной транспортной РНК (тРНК). Обычно этот процесс обеспечивают различные ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, где каждая синтетаза отвечает за присоединение своей аминокислоты.

Однако археи и большинство бактерий не могут напрямую синтезировать все необходимые аминоацил-тРНК. Например, глутамин-тРНК^Gln (Gln-tRNA^Gln) у таких организмов образуется в два этапа. Первый шаг катализирует глутамил-тРНК-синтетаза (GluRS) — фермент, который в норме производит глутамат-тРНК^Glu (Glu-tRNA^Glu).

В данном случае GluRS должна совершить «ошибочное» действие, чтобы создать необычный гибрид Glu-tRNA^Gln, который служит ключевым промежуточным продуктом для синтеза Gln-tRNA^Gln. Эта система озадачивала биохимиков, включая Сигэюки Йокояму, директора Центра системной и структурной биологии RIKEN (SSBC). «У этого механизма есть риск образования вредных побочных продуктов, таких как Gln-tRNA^Glu и Glu-tRNA^Gln, которые могут вызывать серьёзные ошибки в синтезе белка», — отмечает он.

Загадку усложняет то, что комплекс GatCAB, ответственный за второй этап процесса, предположительно взаимодействует с тем же участком Glu-tRNA^Gln, что и GluRS. Было неясно, как эти два фермента эффективно работают с общим субстратом, обеспечивая последовательность этапов без взаимных помех и без выброса токсичных промежуточных продуктов в клетку.

Работа по очереди

Йокояма и его коллега Такухиро Ито из SSBC решили изучить этот процесс, получив высокоразрешающие структурные данные от бактерии Thermotoga maritima для комплекса GluRS–tRNA^Gln, а также для «глутаминового трансамидосома» — тройного комплекса, содержащего tRNA^Gln, GluRS и GatCAB. Они подтвердили, что последний является стабильным комплексом, что указывает на существование механизма, предотвращающего одновременное занятие двумя ферментами одного пространства.

Сравнение двух структур показало, что tRNA^Gln в составе трансамидосома претерпевает структурные изменения и взаимодействует с GatCAB через элементы, отсутствующие в tRNA^Glu. Чтобы подтвердить это, исследователи создали серию гибридных молекул tRNA^Glu, содержащих элементы из tRNA^Gln, и проверили, насколько успешно они превращаются в Gln-tRNA^Glu. Эксперименты подтвердили, что ключевую роль играет D-петля тРНК — именно этот структурный элемент позволяет комплексу избегать модификации неподходящей Glu-tRNA^Glu.

Анализ также выявил гибкие «шарнирные» участки в GatCAB и GluRS, которые, по-видимому, обеспечивают пошаговое выполнение модификаций. Каждый фермент изначально связывается с разным сегментом tRNA^Gln. GluRS присоединяет глутамат к тРНК и меняет конформацию, освобождая акцепторный участок тРНК. Затем GatCAB совершает поворотное движение, подводя свой каталитический домен к глутамату на акцепторном участке, и запускает реакцию амидирования, превращающую глутамат в глутамин.

Эволюция белков — прошлое и будущее

Исходя из обнаруженного необычного механизма, исследователи предполагают, что такой путь модификации тРНК мог возникнуть относительно недавно в эволюции синтеза белка. Таким образом, глутамин и аспарагин (чьё образование в некоторых бактериях и археях также проходит в два этапа) могли стать поздними добавками к генетическому коду.

В других работах Йокояма и его коллеги исследуют методы создания белков с модифицированными свойствами путём включения нетипичных или синтетических аминокислот, обычно изменяя тРНК-синтетазы. Однако описанный путь может стать полезной моделью для будущих инженерных работ. «Возможно, появится способ включить новую неестественную аминокислоту в генетический код через этот механизм — модифицируя аминокислоты после образования тРНК, но до их переноса на рибосому», — поясняет Йокояма.

Все выводы в данном исследовании сделаны на основе ограниченного числа структурных «снимков» трансамидосома, зафиксированного на первой стадии синтеза. Чтобы глубже понять работу этой клеточной машины, Йокояма планирует получить дополнительные структурные данные, которые заполнят пробелы и подтвердят предложенную модель. «Мы пока не преуспели, но хотим продолжить попытки кристаллизовать трансамидосом на стадии амидирования», — говорит он.