Расшифрована структура большой субъединицы митохондриального рибосома
Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) определили структуру большой субъединицы рибосома, находящегося в митохондриях — «энергостанциях» клетки. Ученые использовали достижения в области электронной микроскопии и получили изображения митохондриального рибосома с рекордным разрешением.
Рибосомы расшифровывают генетический код, доставляемый в форме матричной рибонуклеиновой кислоты (mRNA), и переводят его в специфическую последовательность аминокислот, из которых собираются белки.
Определение структуры с трудностями
До сих пор молекулярная структура рибосом в митохондриях была в значительной степени неизвестна. Митохондриальные рибосомы сильно отличаются от «обычных» цитоплазматических:
- В цитоплазматических рибосомах ~60% составляет РНК и ~40% белковые компоненты.
- В митохондриальных рибосомах на РНК приходится менее трети всего комплекса, так как её молекулы сильно укоротились в ходе эволюции.
- Они находятся у внутренней мембраны митохондрий и присутствуют в клетке в гораздо меньшем количестве, что затрудняет их выделение.
Группам исследователей под руководством Ненада Бана и Руэди Аберсольда удалось определить структуру большой субъединицы митохондриальных рибосомов из клеток млекопитающих с разрешением 4.9 ангстрема (менее 0.5 нанометра). Это позволяет, например, визуализировать отдельные фосфатные группы рибосомальной РНК. Результаты опубликованы в ведущем журнале Nature.
Основной сложностью было то, что из митохондриальных рибосом нельзя получить пригодные для рентгеноструктурного анализа кристаллы. «Нам потребовались бы сотни килограммов свиной печени, чтобы выделить достаточное количество материала для кристаллографического анализа — это было логистически невозможно», — пояснил ведущий автор исследования Базиль Гребер.
Успех благодаря комбинации методов
Исследователи ETH использовали два метода:
- Криоэлектронная микроскопия последнего поколения. Было сделано более миллиона изображений большой субъединицы, и её трёхмерная структура была реконструирована с помощью сложных вычислений на компьютерном кластере.
- Химическое сшивание в сочетании с масс-спектрометрией (метод из лаборатории Аберсольда). Белковые компоненты рибосома химически сшивали, фрагментировали на пептиды и анализировали в масс-спектрометре. Для обработки данных использовался суперкомпьютер Brutus.
Комбинация этих методов позволила создать высокоточную структурную модель большой субъединицы митохондриального рибосома.
Ключ к изучению болезней
Новые данные объясняют, почему митохондриальные рибосомы всегда расположены у мембраны митохондрии. Рядом с выходным туннелем, через который вновь синтезированные белки покидают рибосом, был обнаружен белок, похожий на мембранные якорные белки. Учёные сделали вывод, что в ходе эволюции такой якорный белок был интегрирован в рибосом, чтобы закрепить его на мембране и направлять новосинтезированные белки прямо к месту назначения.
Эта работа закладывает важную основу для изучения функций и нарушений митохондрий. Дефекты в генетическом материале, кодирующем компоненты митохондрий, могут приводить, например, к мышечным заболеваниям и играть роль в развитии рака. Раковые клетки требуют много энергии, и их необычный метаболизм, вероятно, связан с митохондриями.
«Структура этого рибосома предоставляет важный фундамент, на котором могут строить свои исследования другие учёные», — подчеркнул Ненад Бан. Исследование было поддержано Национальным центром компетенций в исследованиях (NCCR) «Структурная биология» Швейцарского национального фонда.