Почему она играет ключевую роль в процессе эволюции и как помогает развивать медицинские технологии
В книге «Первая молекула: Как РНК раскрывает главные тайны биологии» («Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Павлом Купцовым и Марией Багоцкой, молекулярный биолог Томас Чек рассказывает о роли РНК в регуляции генов и борьбе с болезнями, а также почему она играет ключевую роль в процессе эволюции и как помогает изучать вопрос возникновения жизни на Земле.
Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, посвященным биохимику Гарри Ноллеру, который пытался разобраться, как работает рибосома.
Гарри Ноллер не похож на большинство других биохимиков. Слова «крутой» и «биохимик» редко встречаются в одном предложении, но Гарри действительно крутой. Он одновременно профессор Калифорнийского университета в Санта-Крузе и джазовый музыкант, игравший на саксофоне с Четом Бейкером. В свободное время он занимается модернизацией винтажных Ferrari. А еще он прирожденный полиглот. Я бывал вместе с ним на зарубежных конференциях, и, где бы мы ни оказывались, он, сев за столик в кафе, всегда, кажется, мог сделать заказ на местном языке.
Калифорнийский университет в Санта-Крузе расположен в изумительном месте, среди высоченных секвой на северном берегу залива Монтерей. Когда в 1968 году Гарри организовал здесь свою исследовательскую лабораторию, его целью было понять, как работает рибосома. Эта мощная молекулярная машина, производящая все белки во всех живых организмах, — настоящее чудо природы. Подобно паровозу, идущему по железнодорожным путям, рибосома движется вдоль матричной РНК. Она останавливается на мгновение у каждого триплетного кодона, ожидает, пока к нему присоединится подходящая транспортная РНК, и добавляет соответствующую аминокислоту к растущей белковой цепи. Рибосома потрясающе универсальна: дайте ей тысячу разных мРНК, и она образует тысячу соответствующих белков.
Когда Гарри начал свои исследования, все еще думали, что белки—единственные вещества в природе, способные катализировать биологические реакции; поэтому Гарри поставил себе задачу выяснить, какие именно белки в рибосоме выполняют эту нелегкую работу по синтезу белка. Предположительно, один рибосомный белок мог связываться с мРНК, один или два могли связываться с тРНК и один мог катализировать перенос пептидной группы (транспептидазная реакция — так ученые назвали химический процесс, при котором две аминокислоты соединялись вместе).
Не имело значения, что рибосома по массе лишь на треть состоит из белка, а на две трети—из рибосомной РНК. В рибосомах у бактерий, в том числе у E. Coli — кишечной палочки, с которой работал Гарри, таких РНК было три. Ученые предполагали, что эти РНК служат своеобразными строительными лесами, помогая организовываться белкам, выполняющим ключевые функции. Иначе говоря, белок был королем, а рибосомные РНК всего лишь невежественными простолюдинами, прислуживающими королю.
Однако с планом «Найти белки, выполняющие ключевые функции» что-то пошло не так. Гарри создал систему, позволявшую собирать рибосомы из составных частей — РНК и белков — и проверять, будут ли эти искусственно созданные рибосомы синтезировать белок. Таким образом, он мог убирать по одному белку, чтобы определить, какие из них необходимы. Примерно как при выпечке хлеба можно убирать по одному ингредиенту, чтобы понять, какие из них действительно необходимы. В случае с рибосомой Гарри по очереди изымал по одному белку, и практически ничего не происходило: рибосома продолжала работать. Это вызывало разочарование и озадачивало. Где же были эти белки-ферменты, выполняющие ключевые функции?
В 1972 году студент Джонатан Чейрз работал в лаборатории Гарри над дипломом, и Гарри предложил ему принципиально новый подход. Было известно, что вещество кетоксал особым образом взаимодействует с гуаниновыми основаниями в РНК, добавляя к ним несколько атомов и не влияя при этом на окружающие белки. Возня с рибосомными белками никуда не привела. Может быть, нужно оставить их в покое и попробовать «поиграть» с РНК?
Они использовали такую же систему синтеза белка, которую применил Маршалл Ниренберг при расшифровке генетического кода: берем рибосомы кишечной палочки (обработанные кетоксалом или не обработанные), добавляем искусственно полученную цепочку поли-У в качестве мРНК и наблюдаем за синтезом полифенилаланина — цепочки из аминокислот. Когда Гарри с Джонатаном впервые обработали рибосомы кетоксалом, оказалось, что он полностью останавливает синтез белка. Более того, из сотен Г в каждой рибосомной РНК с кетоксалом прореагировали только 10, но этого оказалось достаточно, чтобы пустить под откос весь «состав», то есть обрушить синтез белка. Рибосоме очень не понравилось вмешательство в ее РНК.
Результаты эксперимента означали, что ключевые функции связывания тРНК выполняются рибосомной РНК, а совсем не рибосомными белками. Гарри почувствовал себя так, как если бы его Ferrari только что сорвалась с автотрассы, идущей вдоль побережья Калифорнии, и упала в Тихий океан. В какую сторону теперь двигаться?
Чтобы разгадать тайну рибосомы, Гарри пришлось стать специалистом по РНК. Так часто случается в науке: ученый работает над одной гипотезой, а результаты внезапно показывают, что истина может скрываться совершенно в другом направлении. В очень похожей ситуации оказался и я спустя десяток лет, когда моя лаборатория занималась поиском неуловимого белкового фермента, который должен был прятаться где-то в реакциях сплайсинга, а в итоге мы поняли, что РНК сама управляет собственным сплайсингом. Никогда не бывает абсолютно ясно, куда сворачивать на таких развилках, и многие исследователи настолько погружены в свою специальную область, что не хотят совершить шаг в сторону. Как говорится в известном афоризме (обычно приписываемом Черчиллю), «люди иногда спотыкаются об истину, но большинство из них поднимаются и спешат прочь как ни в чем не бывало».
Тем не менее не таков был Гарри Ноллер. Он знал, что для понимания функции рибосомной РНК надо знать ее структуру. Однако в 1972 году структура РНК была еще практически непостижима. Исключение составлял лишь трилистник тРНК. Гарри понимал, что чем крупнее РНК, тем сложнее будет выяснить ее строение, и это было плохо, потому что две из трех рибосомных РНК у всех видов были огромными. У E. coli в одной рРНК насчитывалось 1542 нуклеотида, а в другой — 2904. Третья была меньше, всего 120 нуклеотидов, но это все равно больше, чем в тРНК.
Озарение снизошло на Гарри в 1975 году, когда он был в творческом отпуске. Получив больше времени для работы в библиотеке, он прочел недавнюю статью Карла Везе, микробиолога из Иллинойсского университета. Спустя несколько лет Карл откроет архей — совершенно новый домен живых организмов, обитающих в серных горячих источниках Йеллоустонского национального парка и в других на первый взгляд непригодных для жизни местах. Уже в 1975 году Карл со своим сотрудником Джорджем Фоксом установили двухмерную структуру самой мелкой рибосомной РНКGeorge E. Fox and Carl R.Woese, «5S RNA Secondary Structure,» Nature 256, 505–7, 1975. Предложенная авторами структура РНК отличалась от тех вариантов, которые предполагались всеми химиками. Фокс и Везе верно предположили, что при использовании химического подхода рибосомная РНК очищалась, ее изымали из естественной среды и таким образом нарушали ее структуру. В то же время эволюционный подход, основанный на сравнении различных последовательностей, оперировал с молекулой в ее естественных условиях, в рибосоме., состоящей из 120 нуклеотидов. Они использовали тот же подход, который применялся для расшифровки структуры трилистника тРНК в 1960‑х годах. У них были последовательности малой рибосомной РНК из дюжины различных организмов, в основном бактерий, но была и одна лягушка. Форма следует за функцией, поэтому исследователи предположили, что, поскольку все эти РНК, вероятнее всего, выполняют в рибосоме одну и ту же роль, все они будут сворачиваться одинаково, несмотря на различия в последовательности нуклеотидов у разных видов. Среди множества способов, которыми можно было свернуть РНК, соблюдая правило комплементарности А–У и Г–Ц, была только одна форма, в которую можно было свернуть РНК всей дюжины организмов. Гарри осенило: вот путь к расшифровке структуры больших рибосомных РНК, хотя дело может оказаться долгим и трудным.
Когда Гарри в том же году созвонился с Карлом Везе, оказалось, что они близкие по духу люди. Оба выделялись на общем фоне. 99 процентов ученых все еще думали, что именно белки в рибосоме выполняют наиболее трудную работу и создают новые цепочки аминокислот на основе информации в мРНК. Гарри и Карл составляли оставшийся один процент считавших, что этим занимается рибосомная РНК. «Они не воспринимали нас всерьез, — рассказывал Гарри. — Но зато в течение десяти лет у нас не было конкурентов».
Поскольку Санта-Круз (штат Калифорния) и Урбана (штат Иллинойс) расположены не так уж близко друг к другу и сотрудничество осуществляли в основном по телефону и электронной почте, исследователи обменивались расшифрованными последовательностями коротких фрагментов рибосомной РНК. Эти фрагменты получали, измельчая РНК с помощью фермента рибонуклеазы Т1, который разрезает РНК после каждой буквы Г. Процесс был похож на то, как документ пропускают сквозь шредер. Это было необходимо, поскольку в то время умели секвенировать только короткие фрагменты РНК. Из рРНК длиной 1542 нуклеотида получалось более 100 «слов» —небольших нуклеотидных цепочек. Группы Везе и Ноллера выясняли, из каких букв состояли эти «слова» (например, ЦУЦАГ и УАЦАЦАЦЦГ). После того как были расшифрованы все «слова», входившие в состав рРНК, предстояло соединить их в одно длинное предложение. Это было так же сложно, как восстановить заново пропущенный через шредер документ. Только сделав все это, ученые готовы были объявить о полной расшифровке последовательности РНК из 1542 нуклеотидов*Примечательно, что на секвенирование такой РНК в 1970‑х годах требовалосьоколо 20 человеко-лет, а сейчас это стандартная задача, которая выполняетсяавтоматизированно в течение одного дня. Благодаря такому техническомупрогрессу стал возможен проект «Микробиом человека», поскольку с помощью секвенирования рибосомной РНК можно сразу определить, какие бактерии присутствуют в образце из окружающей среды или в мазке, взятому человека.. Определив последовательность РНК, они смогли понять, какие части молекулы соединятся друг с другом, чтобы получилась свернутая РНК. Фокс и Везе сделали то же самое для самой малой рибосомной РНК (рРНК), а Франсуа Мишель позднее — для рибозимов.
Полученная в результате двухмерная схема рРНК была опубликована в 1980 году. Она чем-то напоминала схему терминалов международного аэропорта О’Хара в Чикаго: множество выступающих в стороны от центрального помещения залов, часть которых образуют Y-образные ответвления.
Через год была получена двухмерная структура рибосомной РНК из 2904 нуклеотидов, с еще бо́льшим количеством «залов» и «терминалов».
Полученные две карты Гарри и Карл назвали «базой». Эту информацию используют для планирования исследований и интерпретации результатов эксперимента сотни ученых по всему миру, занимающихся рибосомами. Однако полученных схем оказалось недостаточно. Катализатор работает не в двухмерном пространстве, и невозможно по-настоящему понять, как устроена эта главная молекулярная машина, не видя ее в реальных условиях. И, как обычно бывает, открытие принципов работы рибосомы не только способствовало развитию науки, но и позволило усовершенствовать антибиотики. О том, что это поможет спасать жизни, Гарри и помыслить не мог, когда приступал к разгадке тайны рибосомы.
Подробнее читайте:
Чек Т. Первая молекула: Как РНК раскрывает главные тайны биологии / Томас Чек ; Пер. с англ. [Павла Купцова и Марии Багоцкой] — М. : Альпина нон-фикшн, 2026. — 352 с.