Рибосомы оказались заточены под самовоспроизводство
Биохимики из Гарварда построили математическую модель, которая связывает строение рибосомы со скоростью удвоения этой органеллы. Выяснилось, что состав рибосом у бактерий отвечает принципу максимально быстрого самовоспроизводства, что позволяет бактериям быстро делиться. Митохондриальные рибосомы, напротив, в самовоспроизводстве не задействованы, поэтому по составу значительно отличаются от бактериальных. Статья с выкладками опубликована в журнале Nature.
Рибосомы — это клеточные органеллы, которые занимаются синтезом белка, транслируя генетический код матричных РНК в аминокислоты. У всех живых организмов рибосомы принципиально устроены одинаково — несколько больших молекул рибосомной РНК выполняют роль остова, на котором расположено множество маленьких рибосомных белков. Несмотря на унифицированное строение и принцип работы, у бактерий, архей и эукариот рибосомы отличаются по размеру, количеству и массе компонентов. К примеру, бактериальная рибосома меньше по размеру, содержит три молекулы РНК и в среднем 55 разных белков. Эукариотическая рибосома больше бактериальной, содержит четыре молекулы РНК и 80 белков.
Скорость работы рибосом – очень важный фактор, определяющий в конечном итоге время удвоения клетки, ведь рибосома производит буквально все белковые компоненты. Воспроизводство рибосом также ложится на плечи других рибосом — исключение составляют рибосомы, которые входят в состав митохондрий. Для них структурные белки синтезируются органеллами, расположенными в цитоплазме клетки-«хозяина». Ученые подсчитали, что 20 процентов всего «рабочего времени» рибосома тратит на самовоспроизводство, то есть синтез рибосомных белков, а также молекул РНК-полимеразы, которая синтезирует новые молекулы рибосомных РНК.
Молекулярные биологи предположили, что высокая скорость работы, а значит, и самовоспроизводства, должна отразиться на составе органелл. К примеру, время синтеза отдельных компонентов будет меньше, если в состав рибосомы входит много коротких белков, а не один-два длинных. Авторы рассчитали, что оптимальное количество белков, позволяющее собрать рибосому максимально быстро, лежит в диапазоне от 40 до 85. Действительно, для бактерий это значение равно 55. Эукариотические рибосомы с 80 белками уже близки к верхней границе эффективности, за которой такие факторы как нарушение эквимолярности компонентов и низкая эффективность инициации трансляции начинают снижать скорость воспроизводства.
Средняя длина рибосомного белка у бактерий составляет 130 аминокислот, в то время как средняя длина полипептида в клетке в целом — больше 300 аминокислот. Укороченные белки не только позволяют быстро завершать их синтез, но и избавляют от ошибок, происходящих по ходу трансляции. Что касается рибосомной РНК, согласно модели, клетке выгоднее синтезировать одну большую молекулу, а не множество маленьких — так рибосому проще собрать. В реальности рибосомы состоят из нескольких молекул РНК, но авторы отмечают, что у бактерий, к примеру, они синтезируются в виде одного большого предшественника, который впоследствии разрезается.
Так как РНК синтезировать проще и быстрее, чем белки, для скорейшего самовоспроизводства рибосомы, РНК должна составлять большую ее часть. Действительно, в самых «скоростных» бактериальных рибосомах РНК составляет 70-80 процентов, а в составе митохондриальных рибосом — только 20 процентов.
Ранее мы писали о том, что воспроизводство рибосом накладывает ограничения не только на скорость деления клетки, но и на ее размер. К примеру, если бактериальная клетка будет наращивать размеры, сохраняя тот же самый темп деления, довольно скоро она просто не сможет вместить все необходимые ей рибосомы. Новая работа демонстрирует, что увеличение размеров и усложнение организации клеток привело к эволюции рибосом, которые также стали крупнее и более сложно устроены, однако при этом потеряли в скорости.
Дарья Спасская
Ученые впервые вызвали партеногенез геномным редактированием
Генетики из американских и британских университетов обнаружили, какие гены отвечают за факультативный партеногенез у дрозофил. Они внесли точечные изменения в мушиные гены, влияющие на текучесть мембран (Desat2), образование центриолей (Polo) и скорость пролиферации (Myc). Мухи-самки из созданной генетической линии успешно вступали в половое размножение, но были при этом способны к партеногенезу как минимум на протяжении двух поколений. Исследование опубликовано в журнале Current Biology. Партеногенез — развитие живых организмов из неоплодотворенной яйцеклетки — широко распространен среди животных. На филогенетическом древе чисто партеногенетические виды нередко соседствуют с практикующими «обычное» половое размножение. Иногда и вовсе удается описать спорадические случаи появления партеногенеза у отдельных представителей непартеногенетических видов. Следовательно, генетическая подоплека партеногенеза может возникать быстро по эволюционным меркам и должна быть в этом случае относительно несложной. Но конкретные молекулярные механизмы партеногенеза часто остаются нерасшифрованными. У мух, неспособных к партеногенезу, яйцо приостанавливается на стадии метафазы I мейоза, а дальнейшее развитие (завершение деления, отделение полярных телец и дальнейшие митотические деления) продолжается лишь после оплодотворения. Но встречаются и факультативно партеногенетические линии, в которых партеногенетические потомки составляют от десятых долей до десяти процентов популяции. Доктор Алексис Сперлинг (Alexis L. Sperling) из Кембриджского Университета с коллегами из американских университетов Мемфиса и Калифорнийского технологического исследовала механизм возникновения факультативного партеногенеза у мух вида Drosophila mercatorum. Генетики отобрали и секвенировали геномы и транскриптомы факультативно и облигатно партеногенетических штаммов D. mercatorum и сопоставили их между собой. При партеногенезе была изменена экспрессия 44 генов, связанных в основном с формированием центриолей и регуляцией клеточного цикла. Несмотря на то, что предки D. mercatorum и более изученной D. melanogaster разошлись более 40 миллионов лет назад, данные сравнительной геномики позволяют воссоздавать на более известном модельном объекте изменения, обнаруженные в геноме менее известного. Ученые воссоздали у D. melanogaster выявленные изменения активности генов, прибегая к CRISPR-редактированию генома, дупликациям генов, введению в геном генов антисмысловых РНК или энхансерных последовательностей. Самый высокий уровень партеногенеза был зарегистрирован в группах трансгенных D. melanogaster, у которых была повышена активность генов Polo (регулятор образования центриолей) или Myc (регулятор клеточного цикла), либо понижена активность генов Slmb (убиквитиновая лигаза, способствующая деградации Myc) и Desat2 (фермент, синтезирующий ненасыщенные жирные кислоты и регулирующий текучесть мембран). У каждого третьего облигатно партеногенетического яйца D. mercatorum полярные тельца или женские пронуклеусы вступали в митотические деления, давая начало эмбрионам (такая же картина наблюдалась в каждом восьмом случае факультативно партеногенетических линий). Количество полярных телец, способных спонтанно вступать в митоз (и тем самым формировать эмбрион) повышалось при повышении активности генов Myc и Polo. При этом многие мухи из партеногенетических линий после целлюляризации становятся недиплоидными (чаще всего, триплоидными) из-за нарушения образования веретена деления. Ученые получили 21 тысячу мух-самок D. melanogaster, гомозиготных по мутантным аллелям генов Polo, Myc и Desat2, и содержали их в отсутствии самцов. В общей сложности самки дали 143 взрослых потомка (в среднем 0,7 потомка на 100 мух), а у тех, в свою очередь, появилось два партеногенетических взрослых потомка второго поколения (1,4 процента от численности предыдущего поколения). Таким образом, линия животных, способных к партеногенезу на протяжении нескольких поколений, была впервые получена при помощи геномного редактирования. На основании полученных данных авторы предполагают следующий механизм факультативного партеногенеза. Повышение текучести мембран (цитоплазматической и мембраны эндоплазматического ретикулума) влияет на формирование центра организации микротрубочек и, следовательно, веретена деления. Его образование упрощает вступление в митоз. Такие изменения могли стать эволюционно выгодным приобретением при расселении мух в более холодные регионы (повышение текучести мембран, связанное со снижением активности десатураз, улучшает выживаемость мух при низких температурах). Впрочем, детали возникновения партеногенетических линий мух пока не до конца изучены — судя по диспропорции между небольшими изменениями в геноме и выраженным транскриптомным изменениями, часть изменений у партеногенетических D. mercatorum может носить эпигенетический характер (важность эпигенома для партеногенеза ранее была показана в эксперименте на мышах). О медийной шумихе вокруг возможности партеногенеза у человека и о генетических предпосылках к нему читайте в нашем материале «Половинка себя».