Книги
Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии
Как и в случае с типичными белками, между рибосомными субъединицами существуют каналы с водой, через которые можно внедрять в кристалл мелкие соединения (например, антибиотики), чтобы они просачивались по этим каналам и достигали своего целевого сайта в субъединице 30S. Специалисты давно внедряют лекарства и ингибиторы в кристаллы ферментов, чтобы понять, как эти ферменты действуют.
Мы заметили, что пространство между соседними молекулами 30S в кристалле позволяет вместить мелкие белки или молекулы РНК, в которых более тысячи атомов, гораздо больше, чем в антибиотике.
Ранее никто этого не делал. Эндрю Картер проверил эту идею с белковым фактором IF1, помогающим запустить трансляцию рибосомы. Было известно, что он связывается с A-сайтом. Эндрю взял в Гренобль кристаллы 30S, выдержанные в IF1, а по возвращении торжественно продемонстрировал карты, где четко просматривался этот белок. Так вскоре после расшифровки структуры 30S у нас появился ее снимок с белком, помогавшим рибосоме начать работу.
Мы сразу стали продумывать такой же эксперимент с фрагментами РНК, имитировавшими кодон на мРНК, а также со шпилькой, имитирующей антикодоновую петлю тРНК. Мы надеялись, что один из фрагментов поместится в щель, через которую обычно связывается мРНК, а другой фрагмент сработает как антикодоновая петля тРНК. Это казалось безумием.
Поставить этот эксперимент мы доверили Джеймсу Оглу, новому аспиранту. Он родился в Германии в семье англичан и являл собой образец нового европейца, полиглота, которому уютно во многих странах. Он был одаренным, очень уверенным в себе и имел много других интересов, например замечательно играл на скрипке на любительском уровне. Выполнив эксперименты, он отправился с Дитлевом и другими в Аргонн.
Как только они прислали мне данные, я сразу понял, что происходит. Антибиотик паромомицин не только закрывал собой два первых основания, но и видоизменял третье. Вместе три основания играли роль считывающей головки и вклинивались в бороздку между основаниями кодона и антикодона на уровне первых двух пар оснований, распознавая форму тех пар оснований, что находились между тРНК и мРНК на первых двух позициях, но не на третьей. Фактически субъединица размещалась рядом с кодоном и антикодоном, причем если бы расположенные на первых двух позициях пары оснований имели неподходящую форму, то этого бы не происходило.
Рис. 14.3. Рибосома распознает форму пар оснований «кодон – антикодон» на первых двух позициях, но не на третьей
Как впервые заметил Уотсон (когда они с Криком догадались о том, что молекула ДНК имеет форму двойной спирали), пары оснований АТ и GC (а также обратные им, ТА и CG) обладают практически идентичными очертаниями, поэтому спираль ДНК могла состоять практически из любых пар оснований и сохранять при этом примерно одну и ту же структуру. То же касается и РНК, где вместо Т присутствует U. Итак, правильные пары оснований имеют характерную форму, отличающую их от несовпадающих, и именно по этому признаку рибосома их находит.
Точность – очень важная концепция в биологии, которая идет на компромисс со скоростью. Излишняя точность замедлит процессы настолько, что они не смогут поддерживать жизнь. Недостаточная точность приведет к сплошному браку. Некоторые антибиотики, в том числе паромомицин, снижают точность работы рибосомы. Так мы выявили базовую причину, объясняющую точность работы рибосомы и смысл такой странной трехбуквенной организации генетического кода, но требующего идеальных совпадений только для первых двух позиций. Как и при образовании пептидных связей, за всю работу отвечает РНК; это подкрепляет идею о зарождении рибосом в древнем мире РНК.
Все это было крайне захватывающе, но в наших более ранних статьях мы уже намекали на то, что происходит с рибосомой под воздействием паромомицина, и я волновался, ведь за прошедшее время группа Гарри улучшила свою структуру 70S, увеличив разрешение с 8 до 5,5 ангстрем. Такое качество позволяло выстроить новую структуру с нуля. Но им к тому моменту этого даже не требовалось, поскольку у них уже были атомные структуры обеих субъединиц, из которых состоит 70S.
Я переживал, что даже если они не смогут рассмотреть детали непосредственно, все равно догадаются, что происходит, так как расставили по местам тРНК и мРНК, а мы годом ранее описали принцип действия паромомицина. Поэтому, только увидев результат, я сразу приступил к работе над черновиком статьи, не дожидаясь, пока Джеймс и другие вернутся из Чикаго. Я знал, что в
Вдобавок к трем антибиотикам, которые мы разместили в субъединице 30S, Дитлев определил структуры еще трех антибиотиков, в том числе тетрациклина, важного в клинической практике.
Так появились первые опубликованные материалы о том, как антибиотики связываются с рибосомами и выключают их. Один из этих антибиотиков, спектиномицин, связывается с поворотной точкой между головкой и шейкой рибосомы. Головка при движении рибосомы колышется, и, возможно блокируя ее, антибиотик не дает рибосоме двигаться вдоль мРНК. Другой антибиотик, тетрациклин, не дает связываться с рибосомой новым тРНК, так что к растущей белковой цепочке не удается добавить новые аминокислоты, и рибосома словно застревает в колее.
Рис. 14.4. Антибиотики в субъединице 30S
В последующие годы Ада и Том публиковали работы о разных антибиотиках, связывающихся с субъединицей 50S. Они описали, что хлорамфеникол не позволяет новым аминокислотам связываться с 50S, поэтому белковая цепочка не может расти. В свою очередь, эритромицин блокирует вход в туннель, через который появляется новоиспеченная белковая цепочка. Сегодня фармацевтические компании заинтересованы в использовании этих структур при разработке новых антибиотиков, которые, возможно, помогут побороть резистентные бактерии.
Рис. 14.5. Два антибиотика в субъединице 50S
Было очень приятно совершить все эти захватывающие открытия всего за несколько месяцев перед тем, как нам впервые удалось взглянуть на полную структуру 30S. Но пока мы неистово проделывали все эти эксперименты, вокруг рибосом была готова вот-вот разгореться затяжная политическая кампания.
Глава 15
Политика признания
Рибосома, долгое время казавшаяся чем-то неинтересным, вдруг стала предметом всеобщих обсуждений. Говорили о том, что рибосома открывает путь к крупным премиям, даже к Нобелевской, и на протяжении следующих десяти лет это подчеркивали повсюду, куда бы я ни ездил. Даже после первых отчетов о состоянии дел, сделанных год назад в Дании, представители групп, занимавшихся рибосомой, получали массу приглашений где-нибудь выступить. Я торопился закончить работу над структурой и счел, что поговорить о ней можно и потом, но не стану притворяться, будто премия нисколько меня не соблазняла.