Адрес доставки белка указан уже в матричной РНК

Автор: Максим Нагорных

Рис. 1. Раньше считалось, что информация о будущей локализации белка заключена исключительно в белковой молекуле, однако, по всей видимости, уже молекула мРНК несет в себе информацию об «адресе доставки» белка, который она кодирует, что позволяет ей заранее перемещаться в нужную часть клетки. Иллюстрация из статьи Kumaran S. Ramamurthi "mRNA delivers the goods" в Science

Упорядоченная структурная организация внутри бактериальной клетки предполагает, что должны существовать механизмы, с помощью которых происходит сортировка синтезируемых белковых молекул в зависимости от их функции и доставка к месту назначения. Считалось, что распределение белков внутри бактериальной клетки определяется исключительно свойствами самих белковых молекул. Ученые из Израиля показали, что «адрес доставки» будущего белка закодирован уже в матричной РНК (мРНК). То есть молекулы мРНК могут заранее перемещаться в места назначения белков, которые они кодируют.

Известно, что распределение белков в клетках всех живых организмов определяется как минимум двумя факторами. Во-первых, каждое место назначения белка внутри клетки имеет свою уникальную структуру, что отличает их друг от друга. Во-вторых, сама белковая молекула имеет специфическую метку, которая задает нужное направление для перемещения внутри клетки, а также распознается в месте назначения конкретного белка. Таким образом, если условно поделить клетку на отсеки, то для попадания в определенный клеточный отсек у белковой молекулы должен быть специфический код доступа.

У эукариотических организмов мРНК способны к целенаправленному перемещению внутри клетки. Частично это определяется тем, что синтез мРНК происходит в ядре клетки, а их процессинг (то есть созревание) — уже в цитоплазме. У бактерий — у которых, как и у прочих прокариот, ядра нет — процессы транскрипции (синтеза мРНК) и трансляции (синтеза белков на основе мРНК) сопряжены в пространстве и во времени, и синтез белка часто начинается еще до окончания транскрипции. Поэтому считалось, что выбор будущей локализации белков определяется исключительно их свойствами.

Однако недавно ученые обнаружили, что бактериальные молекулы мРНК тоже способны к целенаправленному перемещению внутри клетки, в зависимости от «адреса доставки» белков, которые они кодируют. Причем происходит это еще до начала трансляции. С помощью генно-инженерных подходов с использованием флуоресцентных меток и микроскопии удалось проследить за перемещением и конечной локализацией двух мРНК, одна из которых кодировала цитоплазматический белок, а вторая — мембранный. Оказалось, что молекулы мРНК цитоплазматического белка формировали спиралевидные участки в цитозоле клетки, в то время как мРНК, кодирующие мембранный белок, были обнаружены по периферии клетки (рис. 2).

Рис. 2. Внутриклеточная локализация молекул мРНК зависит от последующей локализации белков, которые они кодируют. a — мРНК, кодирующие хлорамфеникол ацетилтрансферазу (цитоплазматический белок) образуют спиралевидные структуры в цитозоле клетки; b — молекулы мРНК, кодирующие лактозную пермеазу (мембранный белок) обнаружены по периферии клетки. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

Согласно теории сигнальных пептидов, сразу же после того, как рибосома начинает синтезировать полипептидную цепь будущего мембранного белка, происходит временная остановка трансляции. После этого временно «замороженный» тройной комплекс, состоящий из рибосомы, мРНК и короткой полипептидной цепочки, перемещается при помощи секреторного аппарата клетки ближе к плазматической мембране. Далее происходит возобновление белкового синтеза, и готовый белок встраивается в мембрану. То есть перемещение мРНК внутри клетки происходит уже после начала трансляции. Однако авторы исследования показали, что даже если искусственно остановить в клетке трансляцию при помощи соответствующих антибиотиков или нарушив последовательность нуклеотидов с помощью мутаций, то мРНК всё равно устремляются к месту локализации белка, который они кодируют (рис. 3). Таким образом, уже в самой молекуле мРНК прописан «адрес доставки» будущего белка.

Рис. 3. У мРНК, кодирующих мембранный белок, локализация вдоль клеточной мембраны не нарушается даже при ингибировании трансляции. Различные способы остановки белкового синтеза у мРНК гена bglF, кодирующего одну из мембранных пермеаз, не изменяют локализацию мРНК внутри клетки. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

Но как же быть, если мРНК полицистронна, то есть кодирует сразу несколько белков, которые имеют разные «адреса доставки»? У бактерий такая ситуация встречается очень часто, когда несколько генов (которые, допустим, кодируют ферменты одного метаболического пути) организованы в оперон и имеют один промотор, с которого считывается одна большая мРНК. Оказалось, что у такой мРНК достаточно одной открытой рамки считывания для трансляции мембранного белка, чтобы молекула переместилась к плазматической мембране. То есть участок мРНК, кодирующий мембранный белок, является определяющим для выбора места локализации всей молекулы. Такое происходит, даже если все остальные белки, кодируемые этой мРНК, цитоплазматические. Если же разделить такую большую молекулу мРНК на отдельные участки (цистроны), которые кодируют отдельные белки, то распределение в клетке отдельных мРНК происходит в зависимости от локализации белков, которые они кодируют (рис. 4).

Рис. 4. Локализация полицистронной мРНК, кодирующей два белка (мембранный и цитоплазматический) определяется цистроном, который кодирует мембранный белок. Локализация моноцистронных мРНК в клетке: a — кодирует мембранный белок, b — кодирует цитоплазматический белок. Локализацию полицистронной мРНК общей для обоих белков однозначно определяет участок молекулы, который кодирует мембранный белок, независимо от места связывания с флуоресцентной меткой (изображения c и d). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

Дальнейший анализ показал, что у молекул мРНК, как правило, есть конкретная область, которая и определяет их распределение в клетке. Так, например, мембранные белки состоят из гидрофильных частей, которые обращены наружу мембраны, и гидрофобной части, которая находится внутри мембраны. Соответственно мРНК, которая кодирует такие сложные белки, тоже имеет несколько участков, каждый из которых кодирует определенную часть белка. Конечную локализацию мРНК мембранных белков определяет как раз участок молекулы, кодирующий гидрофобную (погруженную в мембрану) часть белка.

Рис. 5. Локализацию мРНК мембранного белка вблизи мембраны определяет участок, кодирующий гидрофобную часть белковой молекулы. Участок мРНК, кодирующий гидрофильный участок белковой молекулы, не определяет нужную локализацию всей молекулы мРНК (a). Правильная локализация определяется только участком, кодирующим гидрофобную (погруженную в мембрану) часть белковой молекулы (b). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Science

Таким образом, мРНК у бактерий могут не только выполнять функцию матриц для белкового синтеза, но и, по сути, играть роль почтового конверта с указанным адресатом. По всей видимости, это происходит либо за счет направленной диффузии молекул мРНК в цитоплазме, либо при помощи активного транспорта по структурам цитоскелета.

Остается понять, каким же именно образом «адрес доставки» будущего белка записан в молекуле мРНК и насколько широко распространено это явление у бактерий.

Источник: Keren Nevo-Dinur, Anat Nussbaum-Shochat, Sigal Ben-Yehuda, Orna Amster-Choder. Translation-independent localization of mRNA in E. coli // Science. 25 February 2011. V. 331. P. 1081–1084.