От LUCA до человека: как механизм выживания первых клеток Земли управляет метаболизмом сегодня

Синтез белка — самый ресурсоемкий биохимический процесс в любой живой клетке. Когда питательные вещества во внешней среде заканчиваются, клетка сталкивается с физической необходимостью остановить этот процесс. Если продолжить создание новых белков в условиях дефицита, клетка быстро израсходует остатки молекул, обеспечивающих ее энергией, и погибнет. При этом полное разрушение рибосом — массивных молекулярных комплексов, ответственных за трансляцию белка — является невыгодной стратегией. Когда условия окружающей среды снова станут благоприятными, клетке потребуется слишком много времени и энергии на создание новых рибосом с нуля.

В ходе эволюции биологические системы выработали процесс гибернации — временной консервации рибосом. До недавнего времени наука детально понимала лишь две крайности этого механизма, характерные для разных доменов жизни.

У бактерий гибернация обеспечивается специализированными белками, такими как фактор HPF. Эти белки физически присоединяются к рибосоме и блокируют ее работу на время стресса. У эукариот — организмов с полноценным клеточным ядром, к которым относится и человек — контроль за ресурсами устроен сложнее. Главным регулятором выступает белковый комплекс AMPK. Он постоянно отслеживает соотношение энергетических молекул внутри клетки и при падении уровня энергии запускает масштабные изменения в метаболизме.

Третий глобальный домен жизни — археи — долгое время оставался неизученным в этом контексте. У них не удавалось обнаружить ни специфических бактериальных молекул, сигнализирующих о стрессе, ни эукариотических систем контроля энергии. Пробел удалось заполнить исследователям из Массачусетского технологического института (MIT) и Института Макса Планка. Их работа описывает молекулу, которая физически объединяет бактериальный механизм остановки рибосомы и эукариотический принцип оценки клеточной энергии.

Метод сохранения нативных структур

Ключевую роль в открытии сыграл подход к подготовке биологических образцов. Традиционно для изучения структуры рибосом с помощью криоэлектронной микроскопии ученые предварительно очищают эти комплексы. Проблема этого метода заключается в том, что в процессе жесткой очистки многие белки, временно связанные с рибосомой для регуляции ее работы, смываются.

Команда исследователей применила иной метод. Они вырастили культуру галоархей Haloferax volcanii и дождались момента, когда клетки начали переходить из экспоненциальной фазы (периода активного деления при избытке пищи) в стационарную фазу (период прекращения роста из-за исчерпания ресурсов). После этого клетки были разрушены, и полученный неочищенный клеточный экстракт был немедленно подвергнут быстрой заморозке.

Анализ миллионов частиц на криоэлектронных микрофотографиях позволил выявить у архей в стационарной фазе ранее неизвестный белок, который прочно связывался с неактивными рибосомами. Авторы исследования назвали его AHA.

Механика пространственной блокировки

Белок AHA функционирует как прямой ингибитор процесса трансляции. Чтобы рибосома могла синтезировать белок, ей необходимо свободное пространство для продвижения матричной РНК (которая несет генетическую инструкцию) и свободные участки для присоединения транспортных РНК (которые доставляют аминокислоты).

Структурный анализ показал, что белок AHA располагается непосредственно в функциональном центре рибосомы. Он перекрывает канал для матричной РНК и занимает участки связывания транспортных РНК. Однако блокировка не ограничивается простым перекрытием доступа.

Один из элементов белка AHA — длинная аминокислотная цепь, обозначенная исследователями как «петля 3» — глубоко проникает в пептидил-трансферазный центр рибосомы. Это зона, где происходит химическая реакция образования связей между отдельными аминокислотами. Петля 3 вступает в прямой физический и электростатический контакт с консервативными нуклеотидами рибосомной РНК. Белок AHA напрямую вмешивается в каталитический центр, делая процесс синтеза физически невозможным.

Для подтверждения значимости этого механизма биологи создали мутантную линию архей, из генома которых был удален ген, кодирующий белок AHA. В условиях избытка питательных веществ такие клетки делились с нормальной скоростью. Но при переходе в стационарную фазу отсутствие белка AHA приводило к серьезным последствиям.

Анализ протеома (совокупности всех белков в клетке) с помощью масс-спектрометрии выявил, что у мутантных архей в период голодания происходит стремительная потеря 32 рибосомных белков. Без физической защиты, которую обеспечивает AHA, рибосомы начинают деградировать. В результате, когда исследователи переносили мутантные клетки обратно в свежую питательную среду, те восстанавливали свой рост с большим опозданием и полностью проигрывали конкурентную борьбу нормальным археям.

Двойная эволюционная архитектура

Наиболее значимая часть исследования касается структуры самого белка AHA. Изучение его аминокислотной последовательности показало, что молекула состоит из двух независимых доменов, происхождение которых связывает археи, бактерии и эукариоты.

С-концевая часть белка AHA (его «хвост») структурно идентична бактериальному фактору гибернации HPF. При наложении 3D-моделей выяснилось, что архейный и бактериальный белки занимают одну и ту же позицию внутри малой субъединицы рибосомы и связываются с одними и теми же структурами. Анализ геномов показал, что этот домен широко распространен среди всех исследованных групп архей. Это доказывает, что механизм пространственной блокировки рибосом не был заимствован бактериями у архей или наоборот, а существовал еще у последнего универсального общего предка всех живых организмов (LUCA).

Фундаментальное отличие архейного белка кроется в его N-концевой части. Она состоит из четырех повторяющихся структурных элементов — доменов CBS. В точности такая же архитектура образует гамма-субъединицу эукариотического комплекса AMPK. У эукариот именно этот участок отвечает за связывание химических маркеров клеточного голода.

Прямое связывание нуклеотидов

В живой клетке молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) служат основным носителем энергии. В процессе жизнедеятельности АТФ расходуется, отщепляя фосфатные группы, и превращается в аденозинмонофосфат (АМФ). Так, падение концентрации АТФ и синхронный рост концентрации АМФ является универсальным химическим индикатором истощения энергетических запасов. Эукариотический комплекс AMPK активируется именно при присоединении молекул АМФ.

На криоэлектронных картах архейных рибосом исследователи зафиксировали плотность, соответствующую двум молекулам АМФ, которые были прочно связаны с N-концевой частью белка AHA. Координаты их расположения полностью совпадают с местами связывания нуклеотидов у человеческого фермента AMPK.

Основываясь на этих структурных данных, исследователи сформировали биохимическую модель регуляции. При высоком уровне энергии (много АТФ) белок AHA не проявляет высокой активности. Но как только клетка начинает голодать и уровень АМФ повышается, молекулы АМФ связываются с доменами CBS на белке AHA. Это связывание меняет пространственную конфигурацию молекулы, жестко фиксируя блокирующую «петлю 3» внутри рибосомы.

До этого исследования считалось, что механизмы глобальной оценки клеточной энергии и механизмы локального подавления трансляции эволюционировали раздельно. Открытие белка AHA у архей демонстрирует, что изначально эти процессы были объединены в одной макромолекуле. Древние регуляторные белки способны напрямую считывать концентрацию АМФ и немедленно останавливать работу молекулярного аппарата синтеза белка. Лишь на более поздних этапах эволюции, при переходе к эукариотам, сенсорный модуль на основе доменов CBS отделился от рибосомы и стал частью масштабной сети внутриклеточной сигнализации.

Источник:biorxiv