Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии

Глава 14

Новый континент на горизонте

Атомные структуры субъединиц казались удивительными. Ощущение было такое, словно мы пристали к новому континенту и увидели там своеобразный ландшафт. Сразу же бросались в глаза несколько ключевых вещей. Во-первых, древнее ядро рибосомы, содержавшее важные элементы, почти целиком состояло из РНК. Структуры обеих субъединиц явно свидетельствовали, что история рибосом уходит корнями в древний мир РНК, точно как и предполагали Крик и другие более чем тридцать лет назад.

Белки почти полностью локализовались на периферии рибосомы преимущественно на задней части субъединиц, так что интерфейс, поверхность между двумя субъединицами, которая связывает тРНК, почти полностью состоит из РНК. У белков обнаружились длинные хвосты, проникавшие внутрь рибосомы, содержащие множество положительно заряженных аминокислот, что усиливало связь между белком и отрицательно заряженной РНК. Субъединица 50S вдвое превышала по размеру 30S, и там РНК была еще сложнее и запутаннее.

Рис. 14.1

. Фронтальная и тыльная поверхности двух субъединиц; здесь видны сравнительно темные белки и светлая РНК

Чтобы в точности определить, где именно образуется пептидная связь, йельская группа внедряла в каждый кристалл соединение, имитирующее две аминокислоты, прикрепляющиеся к кончикам РНК в момент стыка. Локализация соединения в структуре кристалла позволяла определить, где именно в рибосоме располагается каталитический центр. Он был полностью окружен элементами РНК, подтверждая тем самым, что рибосома действительно является рибозимом, как уже давно подозревали ученые.

Йельская группа использовала биохимические данные, которые для них подготовил коллега Скотт Стробел, и в деталях описала механизм, управлявший реакциями при соединении двух аминокислот. Но здесь они перестарались. Биохимические данные не отражали того, что происходило в клетке, и многие химики раскритиковали предложенный механизм. Готовность усомниться – двигатель науки. Наконец, талантливый студент Тома, Мартин Шмайнг, сгенерировал другие структуры, имитирующие тРНК и аминокислоты, связывающиеся с большой субъединицей. Руководствуясь ими, многие биохимики, включая Скотта, выявили мельчайшие детали реакции, в частности способ перехода протонов одной группы в другую. Я едва понимал что-либо в этих сложных химических экспериментах. Но такая детализация приблизила нас к описанию важнейшей биохимической реакции – синтезу белковой цепочки.

Если основная задача субъединицы 50S – катализ реакции соединения аминокислот для образования белковой цепочки, то 30S должна гарантировать точное считывание и трансляцию генетического кода в мРНК. Каждый кодон в мРНК считывается входящей тРНК, подносящей к рибосоме новую аминокислоту, – происходит декодирование. Загадка считывания кода в следующем: существует шестьдесят четыре разновидности кодонов, тогда как аминокислот всего двадцать и вариантов тРНК тоже не так много, поэтому несколько кодонов считываются одной тРНК и кодируют одну аминокислоту. Крик, занимаясь расшифровкой генетического кода, заметил, что чаще всего эти несколько кодонов различаются только с третьей позиции, и предположил, что тРНК может быть неоднозначной, допуская «разночтения» на определенном уровне.

Иными словами, для совпадения между тРНК и кодоном на первых двух позициях требуется строго определенная пара оснований, а на третьей – не всегда. Почему?

Связи, в которых парные нуклеотиды соответствуют (комплиментарны) друг другу (например AU или CG), прочнее связей несоответствующих нуклеотидов (например UG или AC). Но не настолько, чтобы рибосома была так избирательна при сопоставлении нужной тРНК с кодоном. Обычно ошибки в рибосоме встречаются реже одной на тысячу позиций, то есть точность ее гораздо выше, чем у самых лучших лабораторных синтезаторов пептидов. Кроме того, рибосома справляется с этим удивительно быстро; в типичной бактериальной клетке она собирает около двадцати аминокислот в секунду. Как же рибосома достигает такой точности?

Рис. 14.2. тРНК должна идеально стыковаться кодоном по первым двум основаниям, а по третьему («неоднозначному») – необязательно

Мы изучали антибиотик паромомицин, который повышает количество ошибок считывания кодонов в рибосоме. Синтезированная нами структура 30S с паромомицином показала, что при связывании с этим белком два основания выплетались из своей длинной спирали и оказывались там, где должны находиться кодон мРНК и антикодон тРНК, то есть нарушали специфичность узнавания тРНК. Но подробности этого процесса оставались неясны, поскольку у нас в кристалле не было мРНК и тРНК.