Команда исследователей ETH Zurich во главе с профессорами Ненадом Баном и Руди Эберсольдом изучала очень сложную молекулярную структуру миторибосом, которые представляют собой рибосомы митохондрий. Рибосомы находятся в клетках всех живых организмов.
Однако высшие организмы (эукариоты), в том числе грибы, растения, животные и люди, содержат гораздо более сложные рибосомы, чем бактерии. У эукариот рибосомы также можно разделить на два типа: рибосомы в цитозоле, который составляет большую часть клетки, и рибосомы, обнаруженные в митохондриях или «электростанциях» клеток. Митохондрии встречаются только у эукариот.
Рибосомы служат устройствами трансляции генетического кода и производят белки на основе информации, хранящейся в ДНК.
Каждая рибосома состоит из двух субъединиц. Меньшая субъединица использует рибонуклеиновые кислоты для переноса (транспортная РНК или тРНК) для декодирования получаемого генетического кода в форме информационной РНК, в то время как большая субъединица объединяет аминокислоты, доставляемые транспортной РНК, вместе, как нить жемчуга.
Еще более высокое разрешение, еще больше деталей
Митохондриальные рибосомы особенно трудно изучать, потому что они встречаются только в небольших количествах и их трудно изолировать.
В начале года исследователи ETH пролили свет на молекулярную структуру большой субъединицы миторибосомы в клетках млекопитающих с разрешением 4.9 А (менее 0.5 нм). Однако этого разрешения было недостаточно для надежного построения полной атомной модели этой ранее неизвестной структуры. Команда, возглавляемая профессором ETH Ненадом Баном, успешно справилась с этой задачей и смогла отобразить всю структуру с разрешением 3.4 А (0.34 нм).
Исследователи недавно опубликовали свои выводы в научном журнале Nature.
В своих экспериментах ученые использовали криоэлектронную микроскопию высокого разрешения в Центре электронной микроскопии ETH Zurich (ScopeM) и современные методы масс-спектрометрии. Благодаря недавним техническим достижениям в криоэлектронной микроскопии и разработке камер прямого обнаружения электронов, которые могут корректировать движение образца во время экспонирования, только недавно стало возможным получать изображения биомолекул с разрешением менее четырех ангстрем.
Улучшение действия антибиотиков
В частности, новые изображения показывают детали центра пептидилтрансферазы (PTC), в котором объединены строительные блоки аминокислот. Белки, синтезированные таким образом, затем проходят через туннель, где они, наконец, выходят из большой субъединицы рибосомы.
«Этот процесс имеет медицинское значение», — сказал Бэзил Гребер, ведущий автор исследования и научный сотрудник группы Ненада Бана.
Причина в том, что этот туннель является мишенью для некоторых антибиотиков. Антибиотик застревает в туннеле и не позволяет только что синтезированным белкам покинуть туннель.
Однако антибиотики должны только подавлять синтез белка в рибосомах бактерий.
«Чтобы антибиотик использовался для лечения людей, он не должен атаковать человеческие рибосомы», — объясняет Гребер.
Антибиотики должны подавлять синтез белка только в бактериальных рибосомах. Проблема в том, что митохондриальные рибосомы напоминают рибосомы бактерий, поэтому некоторые антибиотики также влияют на миторибосомы. "Это может привести к серьезным побочным эффектам.«Результаты исследователей ETH позволят в будущем разработать антибиотики, которые подавляют только бактериальные, а не митохондриальные рибосомы. Это одно из основных требований для их использования в клинической практике.
Удивительное открытие
Исследователи ETH также сделали неожиданное открытие. Они обнаружили, что миторибосомы используют транспортную РНК двумя принципиально разными способами.
Во-первых, тРНК используется для выбора правильной аминокислоты для синтеза пептида в PTC. Во-вторых, одна тРНК — это фиксированная часть структуры, в отличие от всех других рибосом.
Хотя уже довольно давно известно, что митохондриальные рибосомы интегрируют новые белки в свою структуру в ходе своего развития, это первый случай, когда наблюдается использование совершенно новой молекулы РНК. «Это демонстрирует огромную эволюционную пластичность миторибосом», — подчеркнул Гребер.
В настоящее время перед командой ETH стоит важная, до сих пор нерешенная задача в своем исследовании: определение структуры меньшей субъединицы митохондриальной рибосомы.
Тот факт, что он более гибкий, чем крупное подразделение, делает эту задачу еще более сложной.