Рибосомы — это клеточные органеллы, осуществляющие синтез белков в клетке. На них происходит последовательное присоединение аминокислот к растущей полипептидной (белковой) цепи. Завершенная белковая цепь может сама сворачиваться в пространстве, становясь функционально активной молекулой, которая либо выполняет в клетке структурную функцию, либо служит ферментом, т.е. катализирует ту или иную биохимическую реакцию.
Так как все реакции обмена веществ протекают при участии ферментов, для того чтобы быстро расти, клетке необходимо ускорять биосинтез белков. Однако на рибосоме скорость присоединения новых аминокислот к растущей цепи белка ограничена. К примеру, у бактерий Escherichia coli при 37°С на одной рибосоме может происходить присоединение не более 15 аминокислот в секунду. Если температура остается постоянной, а среда, в которой живет Е. coli, обогащается питательными веществами, бактерии начинают делиться значительно быстрее.
Поскольку возможности отдельной рибосомы ограничены, клетке для ускорения синтеза белка необходимо иметь больше рибосом. Но на их биосинтез расходуется довольно много энергии, и, следовательно, иметь большой избыток рибосом для клетки тоже невыгодно. Значит, бактерии должны иметь достаточно тонкие механизмы контроля числа рибосом. Рибосома устроена довольно сложно: в ее состав входят 52 различных белка и 3 разные РНК, так что и регуляция ее биосинтеза далеко не проста.
Информация о структуре рибосомных белков и рибосомных РНК (рРНК) бактериальной клетки закодирована в ДНК ее единственной хромосомы. При синтезе белков эта информация сначала «переписывается» (транскрибируется) в РНК, которая далее на рибосоме служит матрицей для сборки белков. рРНК же образуется непосредственно в результате транскрипции с хромосомной ДНК. Для обеспечения нормальной скорости биосинтеза рибосом необходимо, чтобы скорость синтеза каждого компонента определялась по отношению к скоростям синтеза остальных 54 компонентов, точно так же, как для сборки автомобиля необходимо наличие всех деталей на складе и их своевременное поступление на конвейер.
Регуляция сборки рибосом может, очевидно, осуществляться по крайней мере на двух уровнях — при транскрипции всех 55 рибосомных компонентов и при трансляции мРНК 52 рибосомных белков. Наиболее естественно было бы предположить, что транскрипция рибосомных генов управляется по механизму прямой (позитивной) регуляции. Действительно, в 70-х годах, когда изучение биогенеза рибосом еще только начиналось, такая модель генетической регуляции была общепринятой. Очень скоро, однако, стало ясно, что прямая регуляция не может объяснить всех особенностей изменения скорости сборки рибосом.
Дальнейшие работы, результаты которых и обсуждаются в этой статье, показали, что синтез рибосом контролируется механизмом, основой которого являются две системы обратной (негативной) регуляции. Пока в клетке есть свободные рибосомные РНК, в ней продолжается синтез рибосомных белков, которые сразу связываются с рРНК, и происходит сборка рибосом. Когда свободных рРНК не остается, некоторые рибосомные белки начинают играть роль репрессоров трансляции: связываясь с мРНК, они прерывают трансляцию всех рибосомных белков.
Это — первая система обратной регуляции. Вторая система управляет транскрипцией рРНК и некоторых других генов. В этом случае негативная регуляция осуществляется свободными рибосомами, т.е. рибосомами, не вовлеченными в данный момент в синтез белка. Если в клетке появляются такие «безработные» рибосомы, они «выключают» гены рРНК. Когда в среде появляется много питательных веществ, на свободных рибосомах начинается синтез белка и гены рРНК «включаются» опять. Взаимодействие этих двух систем дает клетке возможность очень точно регулировать скорость сборки рибосом.
Как и в случае многих других фундаментальных научных открытий, оказалось, что принцип системы, существующей в клетке для контроля активности рибосомных генов, имеет и более общее значение. Репрессия трансляции по механизму обратной связи может использоваться для регуляции биосинтеза и других бактериальных органелл, для сборки которых нужны несколько разных молекул. Не исключено также, что результаты, полученные на Е. coli, применимы к биосинтезу рибосом в клетках многоклеточных организмов, включая человека.
Наконец, понимание столь сложного и в то же время элегантного механизма биологической регуляции приносит чисто эстетическое наслаждение, что вовсе не мало важно в научной работе. Структура, функции и способ сборки рибосом настолько тесно связаны с экспрессией генетической информации, что необходимо сначала разобраться в генетическом кодировании, чтобы понять, как регулируется биогенез рибосом.
