Книги
Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии
Фильм, фильм, фильм
Наступил момент, когда уже невозможно было открыть что-то новое на материале двух разрозненных субъединиц рибосомы. Некоторые локальные функции, например реакцию по образованию пептидной связи или механизм взаимодействия тРНК с кодоном, можно было изучать в рамках отдельных субъединиц. Равно как и связывание с антибиотиками. Но теперь мы должны были понять, как рибосома подбирает тРНК, движется по мРНК, начинает работу и заканчивает ее.
Во многих отношениях путь к пониманию этого процесса подобен описанию работы машины. Требовалось оформить его как видеоряд. Мы хотели сделать как можно больше «снимков» на разных этапах цикла.
Электронная микроскопия уже позволила нам составить впечатление о многих этапах. Изображения, в основном полученные под руководством Иоахима Франка, позволили нам впервые рассмотреть различные функциональные состояния рибосомы. Однако пусть разрешающая способность этого метода с годами и улучшалась, мы все равно еще и близко не подобрались к деталям химических взаимодействий, и работа этой машины на молекулярном уровне оставалась тайной. Можно сказать, что у нас были расфокусированные снимки, на которых невозможно было разобрать подробности. Казалось, что решение безальтернативно: нужно кристаллизовать рибосому в как можно более разнообразных состояниях, не имея гарантий и представления о сроках такой работы.
Рис. 17.1. Цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания
На тот момент у нас не было даже подробной атомной структуры целой рибосомы – результат, представленный Гарри, был выполнен в низком разрешении. Поэтому началась новая гонка, в которую оказались втянутыми практически все, кто занимался рибосомной кристаллографией. Кроме некоторых представителей первых групп, среди которых можно назвать Тома, Питера и Гарри, а также людей из лаборатории Гарри, например Джейми Кейта и Марата и Гульнару Юсуповых (все они уже обзавелись собственными лабораториями), все пытались составить полную структуру целой рибосомы. На конференции мы с Томом поговорили с одним человеком, считавшим, что с рибосомой «все сделано», и быстро поправили его заблуждения. Он спросил, чего следует ожидать, и Том сказал, что однажды кто-нибудь появится на конференции, улыбаясь до ушей, чем искренне разочарует остальных.
К тому времени у меня постепенно появлялись новые сотрудники, желающие работать над субъединицей 30S. Фрэнк Мерфи, ранее пересекавшийся со многими ребятами, причастными к исследованию 30S, прибыл из Денвера, отличался приятными манерами, но сочетал их с убийственным сарказмом, который всегда подавал с улыбкой. Подобно Дитлеву, он обладал навыками как в вычислениях и кристаллографии, так и в биохимии. Он проявил себя как хороший организатор, отвечая за поездки на синхротроны, и как отличный учитель, подтянув многих сотрудников лаборатории.
Мы подумали, хорошо бы приступить к воспроизводству кристаллов 70S, полученных Юсуповыми в лаборатории Гарри, поскольку мы воспользовались русскими заготовками в качестве отправной точки для работы над субъединицей 30S. Хотя Мария Гарбер уже намекала нам, что в советских разработках перед кристаллизацией использовали хроматографические методы разделения и очистки, но нам воспроизвести кристаллы не удалось. Чего-то в сообщениях недоговаривали, либо мы что-то делали иначе. Даже их исходный отчет о кристаллах 30S и 70S не помогал – я сам читал его по-русски, как мог.
В ходе одной из моих дальних вылазок, сделанных в рамках рибосомного ралли, мы с Питером были в Буэнос-Айресе, где оказались за одним столом с Маратом. Признались ему, что оба не смогли воспроизвести кристаллы 70S, опираясь на его публикации. Марат сказал, что все зависит от точного соблюдения мелких нюансов, причем некоторые из них ему самому не известны – их знает только Гульнара. Услышав об этом, Питер рассмеялся и сказал: «Думаю, вас бесполезно допрашивать!» На самом деле я слышал, что Марат и Гульнара ведут все записи по-русски, и, когда они покинули лабораторию Гарри, тот, по-видимому, также не смог воспроизвести кристаллы. В конце концов Гарри вновь включился в борьбу, взяв на работу Сергея Траханова, еще одного ключевого представителя той самой советской группы, которой впервые удалось кристаллизовать рибосому.
Рис. 17.2. Цикл элонгации рибосомы
Фрэнк продолжал усердно работать над этой задачей вместе с Майком Тарри, заменившим Роба. Они научились очищать рибосомы, изучая фермент, расщепляющий РНК, и смогли получить несколько кристаллов иной формы, но достичь разрешения на уровне атомов пока не удавалось.
Учитывая, как много разных людей включились в гонку, мы сочли, что будет лучше, если вся наша лаборатория сосредоточится на чем-то одном. Фрэнк решил поймать момент, когда белковый фактор EF-Tu доставляет тРНК, которая подносит к рибосоме новую аминокислоту. Наши исследования уже показали, что именно субъединица 30S гарантирует правильный подбор тРНК, проверяя форму двух из трех пар оснований между кодоном и антикодоном. Подобно многим факторам, связывающимся с рибосомой, EF-Tu называют ГТФазой, так как он отсекает два из трех фосфатов в гуанозинтрифосфате (ГТФ), высвобождая энергию. Гидролиз ГТФ необратим, и его можно сравнить с возникновением искры в двигателе. Было неясно, как совпадение между тРНК и кодоном отражается на работе фактора, гидролизирующего ГТФ достаточно далеко от кодона, – образно говоря, как двигатель внутреннего сгорания заводится ключом зажигания. Гидролиз ГТФ действует подобно переключателю, заставляющему EF-Tu отцепиться от тРНК. После чего кончик тРНК свободно проникает в пептидилтрансферазный центр большой субъединицы, где растущая белковая цепочка переносится от тРНК на P-сайте к новой аминокислоте, расположенной на А-сайте этой тРНК.
Пока мы работали с рибосомами от
Я был одним из рецензентов статьи Джейми в
В то время наша лаборатория пополнилась еще двумя классными специалистами. Первой была Мария Зельмер из лаборатории Андерса Лильяса, расшифровавшая там структуру белка, расщепляющего рибосому в самом конце трансляции, чтобы начать процесс заново. Как и Дитлев, другой скандинав из моей лаборатории, она оказалась умной, организованной, приятной, веселой и разносторонней. Я даже задумался: может быть, скандинавы особым образом воспитывают детей? Или когда они выходят из сумрака в сторону юга, становятся жизнерадостными и избавляются от «бергмановского страха»? Мария была заметно выше мужчин из нашей лаборатории, поэтому на ближайший рождественский капустник моя группа нарядилась в Белоснежку и семерых гномов.
Примерно через год после Марии к нам присоединилась Кристин Данэм. Впервые я повстречал ее на конференции в Эриче в Италии, впечатлился ее умом и энергией. На тот момент она была аспиранткой у Билла Скотта в Санта-Крусе, где приобрела реальный опыт в химии РНК и кристаллографии. Поэтому, когда она поинтересовалась, можно ли поступить на работу в мою лабораторию, я был просто счастлив согласиться. Несмотря на мои отговоры, Кристин подала заявку и получила стипендию от Американского онкологического общества. Она была веселой, подхватывала мои шутки и, так же как и я, увлекалась светскими сплетнями.
Кроме того, примерно в то же время в состав моей группы вошла Энн Келли, почти двадцать лет проработавшая в LMB. Она стала центральным звеном всей лаборатории, обеспечивала нас рибосомами, тРНК, факторами и всем остальным, что требовалось для проработки каждой индивидуальной задачи. Она была пышной рыжеволосой англичанкой, и часто ей изрядно надоедали жалобы всех этих иностранцев на местную погоду или обычаи.
Мария и Кристин хорошо сработались и решили выяснить, как тРНК и мРНК движутся через рибосому, – этот этап называется транслокацией. Почти тридцатью годами ранее Марк Бретшер из LMB предположил, что транслокация выполняется в два этапа: сначала тРНК проникает в одну субъединицу, а потом в другую. Это позволяло объяснить, зачем субъединиц две. Прошло еще двадцать лет, прежде чем Гарри и его студент Данеш Моазед продемонстрировали, что все в действительности так и происходит и рибосома оказывается в промежуточном состоянии, когда тРНК движутся относительно одной лишь большой субъединицы. На втором этапе тРНК и мРНК движутся относительно малой субъединицы, и транслокация завершается. В 2000 году Иоахим Франк и Радж Агравал показали, что в ходе этого процесса две субъединицы вращаются относительно друг друга. Таким образом, рибосома движется вдоль мРНК. Второй этап движения стимулируется другим белковым фактором – фактором элонгации G, и в ходе этого процесса также гидролизируется ГТФ. Но оставались невыясненными детали этого процесса.
У Марии были муж и маленькая дочь, поэтому она организовала себе строгий распорядок, в отличие от большинства одиноких – или как минимум бездетных – сотрудников, которых можно было застать в лаборатории в любой час. Сам я также работал по расписанию еще с тех пор, как был аспирантом с двумя маленькими детьми. Чувствую, что такой порядок помог мне гармоничнее устроить мою жизнь, а также лучше проявить себя в качестве ученого. Поработав у нас примерно год, она сообщила, что беременна. Я поздравил ее, но в глубине души обеспокоился, что наша работа забуксует в разгар нового соперничества. Как же я ошибался! Мария продемонстрировала, что можно хорошо справляться с работой ученого, успевая при этом быть мамой, главное – иметь гибкий график и поддержку от мужа.
Вернувшись из декретного отпуска, Мария создала особую среду, в которой