Медиатека

В конце февраля 2023 года учёные представили множественные варианты структуры транслирующей бактериальной рибосомы E. coli с рекордным разрешением 1.55 Å ¹. К настоящему моменту это самое высокое разрешение, полученное для рибосомы или любого другого несимметричного комплекса с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ). Ранее полученные реконструкции рибосомных комплексов имели максимальное разрешение 2,0 Å и 2,2 Å для рибосом бактерий и млекопитающих, соответственно. Первые структуры отдельных рибосомных субчастиц бактерий и целых рибосомных комплексов были получены методом рентгеноструктурного анализа с разрешениями от 3 до 5 Å более 20 лет назад и вошли в историю биологии не только как эпохальное и значимое событие, но и как пример великой гонки учёных умов за возможность вписать своё имя в историю.

Великая гонка за структурой рибосомы

В 1980-90х годах рентгеноструктурный анализ использовали для определения более простых молекул – нуклеиновых кислот, белков и простых белковых комплексов. Благодаря техническому прогрессу, повышению вычислительной мощности и усовершенствованию методологической базы стало возможным приступить к изучению структур более сложных макромолекулярных комплексов, а получение атомарной структуры рибосомы стало вызовом для науки того времени, и этот вызов смело приняли сразу несколько научных групп. Вскоре было опубликовано несколько статей в передовых научных изданиях, сообщающих о разрешении структуры прокариотической рибосомы.

Adobe Stock By Juan Gärtner

Первой из опубликованных структур с высоким разрешением 2,4 Å стала структура 50S субъединицы из археи Haloarcula marismortuii. Группа американских учёных под руководством Томаса Стайца опубликовала свое открытие 11 августа 2000 года в журнале Science ².

Независимо друг от друга две другие группы учёных опубликовали структуры 30S субъединицы рибосомы бактерии Thermus thermophilus с разницей всего в 3 недели. Учёные из Института Макса Планка (Германия) во главе с Адой Йонат опубликовали свою структуру с разрешением 3.3 Å 1 сентября 2000 года в журнале Cell ³. Венкатраман Рамакришнан с коллегами из Кембриджа (Великобритания) получили разрешение 3.05 Å и опубликовали статью в журнале Nature 21 сентября 2000 года ⁴.

Спустя всего полгода группа Гарри Ноллера опубликовала структуру полной 70S рибосомы в комплексе с мРНК и тРНК с околоатомарным разрешением 5.5 Å ⁵. Чуть позже были получены структуры целой рибосомы с атомарным разрешением 3,5 Å. Первой эти данные представила группа учёных из Калифорнийского университета в Беркли под руководством Джейми Кейта ⁶.

Разрешение структуры бактериальной рибосомы стало значимым достижением для фундаментальной науки (в изучении строения и функций рибосом, процесса биосинтеза белка), но также нашло практическое применение в исследовании антибиотиков, направленных на ингибирование рибосом, в понимании механизмов их действия, развития резистентности и поиска новых антибиотиков.

В 2009 году Йонат, Стайцу и Рамакришнану присудили Нобелевскую премию в области химии «за исследования строения и работы рибосом». К сожалению, из-за формальных критериев по количеству лауреатов (их всего 3) остальные участники «гонки» остались не удостоенными награды.

Новые данные на основе полученных структур

Определение структуры рибосом совершенствовалось в течение последних 25 лет. Рибосомы стали подходящей мишенью для современных методов крио-ЭМ, что позволило получить представление о множестве функциональных состояний, описывающих работу рибосом, включая короткоживущие переходные комплексы.

Новая крио-ЭМ структура (Рис.1) в сочетании с предыдущими версиями описывает многие важные особенности рибосомы в атомарных деталях, включая химические модификации, ионы магния и калия, а также молекулы воды. Текущее разрешение также позволяет напрямую идентифицировать множественные варианты рРНК, включая обмен парами оснований в одной из спиралей рРНК, которая различается у разных штаммов E. coli. Учёным удалось описать сложно «уловимые» структурные детали на периферии рибосомы с высоким разрешением, включая рибосомный белок bL9, что даёт представление о его возможной функции, в частности в обеспечении точности трансляции. В предыдущих рентгеновских и крио-ЭМ структурах, которые были получены в различных солевых условиях, bL9 наблюдался лишь частично и в разных конформациях из-за его подвижности. Наконец, текущий набор данных позволил разрешить несколько конформационных состояний рибосомы с разными тРНК из относительно небольшого числа частиц (примерно 20 000) с разрешением около 2 Å.

Рис. 1. Структура комплекса бактериальной рибосомы и некоторые области, опредёленные с высоким разрешением.

Крио-ЭМ позволяет детально определять структуру биомолекул и в настоящее время является наиболее предпочтительным методом для получения реконструкций крупных и конформационно гетерогенных макромолекулярных комплексов с высоким разрешением. Преимущество метода заключается в том, что анализируемые комплексы могут быть как очищенными, так и в природном клеточном контексте, что позволяет максимально приблизить условия эксперимента к естественным. К недостаткам метода обычно относят не всегда высокое разрешение, а также зависимость от доступа к дорогостоящему высокотехнологичному оборудованию и передовым знаниям в области подготовки образцов, сбора данных и обработки изображений.

Литература

1. Ingolia N.T. et al. Genome-wide analysis in vivo of translation with nucleotide resolution using ribosome profiling. Science, 2009.

1. Fromm S.A. et al. The translating bacterial ribosome at 1.55 Å resolution generated by cryo-EM imaging services. Nature Communications, 2023.

2. Ban N. et al. The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 A resolution. Science, 2000.

3. Schluenzen F. et al. Structure of functionally activated small ribosomal subunit at 3.3 angstroms resolution. Cell, 2000.

4. Wimberly B. et al. Structure of the 30S ribosomal subunit. Nature, 2000.

5. Yusupov M.M. et al. Crystal structure of the ribosome at 5.5 A resolution. Science, 2001.

6. Schuwirth B.S. et al. Structures of the bacterial ribosome at 3.5 A resolution. Science, 2005.