Если клетки подвергаются угрожающему жизни стрессу, они предпринимают быстрые действия, направленные на свое спасение. Среди многих других способов защиты они начинают и выработку белков, выполняющих важнейшие задачи, такие как репарация ДНК.
Ученые Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology – MIT) и Университета Олбани (University of Albany) установили один из способов, с помощью которого клетки увеличивают синтез таких белков. В декабрьском номере PLoS Genetics они сообщают, что подвергающиеся стрессу клетки перепрограммируют сложную систему химических модификаций молекул РНК, считывающих генетический код и доставляющих строительные блоки белков к месту их синтеза.
Этот механизм, вероятно, принимает участие в ответе клетки не только на стрессовые стимулы, такие как воздействие токсических химических соединений или радиации, но и на гормоны, факторы роста и питательные вещества, считает профессор биоинженерии MIT Питер Дидон (Peter Dedon), старший автор статьи. Дидон сейчас занят изучением того, как бактерии используют такую систему в ответ на стресс, вызванный атакой на них белых клеток крови человека. В случае успеха его исследование может помочь ученым разработать новые антибиотики, блокирующие защитные системы бактерий.
ДНК – главный дирижер любого проявления деятельности клетки, но так как она не может покинуть клеточное ядро, ей нужен набор вспомогательных молекул, несущих ее инструкции. Гены – последовательности нуклеиновых кислот, кодирующие отдельные белки - копируются в матричную РНК (мРНК), несущую «проект» белка из ядра к клеточным структурам, называемым рибосомами. Именно в рибосомах происходит сборка белков. Генетический код, записанный в матричной РНК, считывается в рибосоме в виде серий трехбуквенных последовательностей, каждая из которых соответствует определенной аминокислоте (строительному блоку белка).
Аминокислоты доставляются к рибосоме другим типом РНК – транспортной РНК (тРНК). Как и другие типы РНК, тРНК состоит из последовательности из четырех основных рибонуклеозидов – аденозина, гуанозина, цитидина и уридина. Однако с момента синтеза тРНК эти рибонуклеозиды претерпевают десятки химических модификаций, изменяющих ее структуру и функцию.
Несколько лет назад бывший постдокторант MIT, а ныне доцент Университета Олбани Томас Бэгли (Thomas Begley) установил, что для выживания после обработки токсичными химическими веществами клеткам дрожжей необходимы ферменты, модифицирующие тРНК.
Один из генов ДНК дрожжей кодирует фермент, присоединяющий метильную группу (атом углерода, связанный с тремя атомами водорода) к рибонуклеозидным основаниям. Эта модификация повышает эффективность синтеза рибосомой белков, особенно белков, содержащих много единиц аминокислоты аргинина. После поиска в геноме дрожжей генов богатых аргинином Бэгли установил, что эти гены важны для защиты клетки от токсичных агентов. Модификация тРНК, необходимая для синтеза этих белков, позволяет клетке синтезировать белки быстрее и точнее, организуя более эффективную защиту от токсичных химических веществ, объясняет ученый.
Объединив усилия, Бэгли и Дидон исследовали все 25 модификаций тРНК, обнаруженных в дрожжевых клетках. (Большинство организмов имеют от 20 до 40). Лаборатория Дидона разработала способ использования масс-спектрометрии, способной определять структуру неизвестного соединения по его массе, для измерения уровней всех 25 модификаций тРНК сразу. Затем исследователи обработали дрожжевые клетки одним из четырех токсичных веществ – MMS (соединением, присоединяющим метильные группы), перекисью водорода, мышьяком и гипохлоритом натрия.
После обработки уровни различных модификаций тРНК повышались или понижались в зависимости от химического вещества. Используя многовариантный статистический анализ, исследователи искали модели, и для каждого вида химических веществ и его дозы им удалось установить характерный ответ, или сигнатуру. Для убедительной демонстрации важности специфических модификаций тРНК для выживания клетки ученые блокировали отдельные белки, вызывающие такие модификации и специфичные для каждого вещества, и показали, что клетки стали более подвержены гибели именно от данного вещества. Изучение генов, на которые такие модификации тРНК оказывают наибольшее воздействие, даст ключи к пониманию того, как клетки справляются с представляющими опасность для их жизни стрессами.
Тао Пэн (Tao Pan), профессор биохимии и молекулярной биофизики Университета Чикаго (University of Chicago), считает, что это исследование опровергает давно принятое предположение о том, что молекулы тРНК остаются в одном и том же модифицированном состоянии на протяжении всей своей жизни.
«Ранее считалось, что модификация тРНК статична. Эта статья показывает, что в условиях стресса уровень модификации может постоянно изменяться», – говорит Пэн. «Теперь надо понять, как и почему клетки это делают».
В ближайшее время Дидон и Бэгли планируют изучить роль модификаций тРНК в клетках человека. Предыдущие исследования дают возможность предположить, что такие модификации могут подавлять развитие опухолей, и лучшее понимание этих систем приведет к новым методам диагностики рака, считает Бэгли. «Так, если клетки имеют определенный набор модификаций тРНК, это может свидетельствовать о состоянии предболезни», – считает ученый.