Необычные вариации в клеточной белковой фабрике могут искажать развитие, способствовать распространению рака и так далее. Но рибосомное разнообразие также может играть биологическую роль, — говорят учёные.
В 1940-е годы учёные недавно учреждённого Национального института онкологии пытались вывести мышей, которые помогли бы нам лучше понять рак, либо потому, что у них предсказуемо развивались определённые виды рака, либо потому, что они были на удивление устойчивы к нему.
Учёные обратили внимание на особый выводок, в котором у некоторых мышат были короткие, изломанные хвосты и смещённые рёбра, растущие из шейных позвонков. Эту линию мышей, прозванных «короткохвостыми», с той поры исправно разводят, надеясь, что однажды исследования покажут, что же с ними не так.
Спустя более 60 лет исследователи наконец получили ответ, когда Мария Барна, биолог, занимающийся вопросами развития, которая тогда работала в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, обнаружила, что у этих мышей присутствует генетическая мутация, из-за которой белок исчезает из рибосом, в которых происходит синтез белков.
Это явилось совершенным сюрпризом, говорит Барна: все предполагали, что причина заключалась в мутации в гене, который дирижирует развитием, а не в гене, который занимается структурой рибосом. Рибосомы, которые под микроскопом выглядят как миллионы точек, разбросанных по клетке, или, если увеличить, как разорванная на две неравные части булочка, у всех форм жизни выглядят похоже. Они существуют в каждой клетке, и считалось, что везде они заняты одним и тем же: транслированием содержащихся в ДНК инструкций в белки, которые выполняют в клетках большую часть работы.
Как может дефект в этой надёжной, вездесущей рабочей лошадке поломать структуру мышиного организма таким примечательно специфическим образом?
Сегодня, основываясь на подобных результатах, всё большее количество учёных приходят к мнению, что в рибосомах происходит куда больше, чем они когда-то думали, и что разнообразие рибосом иногда может иметь биологические функции.
Барна, в данный момент работающая в Стэнфордском университете, сообщила о своих результатах в журнале Cell в 2011 г. С той поры учёные открыли несколько других генов, которые, подобно обнаруженному у «короткохвостых» мутантов, кодируют белки в рибосомах, и, судя по всему, при мутации специфическим образом искажают развитие.
У бедной мышки, которая первой заинтересовала Барну, белок под названием RPL38 был собран неправильно. У другой мыши дефективный белок по имени RPL10A привёл к ещё более существенным (и смертоносным) деформациям. «Эти эмбрионы выглядели так, будто их зад сразу за задней конечностью был отрезан гильотиной», — вспоминает Барна.
Привередливые рибосомы
Есть другие причины, по которым исследователи были удивлены, что за необычным развитием этих мутировавших мышей стоят необычные рибосомы. Во-первых, в рибосомах присутствует строгий контроль качества — поскольку дефективные рибосомы могут штамповать неправильно организованные белки, способные сильно навредить, они, как правило, уничтожаются. Во-вторых, эмбрионы, имеющие мутации в генах, кодирующих рибосомные белки, обычно не доживают до родов.
И всё же, случаются исключения, в том числе и у людей. Например, дети с изолированной врождённой аспленией рождаются без селезёнки часто в результате мутации в одном рибосомном белке, в то время как в целом организм полностью в норме. И опять же — как один отсутствующий или необычный белок может быть тому причиной?
Барна считает, что главное здесь — аффинность. Чтобы синтезировать белок, рибосомы получают инструкции не напрямую от громоздкой ДНК, а от более сжатых молекул информационной РНК (иРНК), доставляющих инструкции об отдельных генах. РНК состоит из длинной цепочки из четырёх разных составных частей, и каждые три части кодируют аминокислоту. Рибосома считывает эти инструкции и правильно соединяет аминокислоты, чтобы сформировать белок.
Насколько известно учёным, молекулы иРНК просто свободно плавают, пока не встретятся с рибосомой, и в этот момент они транслируются в белок. Но Барна считает, и имеет основания полагать, что различные рибосомы обладают различной аффинностью и могут быть более способны транслировать одни типы РНК, а не другие.
Например, клетки мышиных эмбрионов с мутацией Rpl38 вырабатывают ровно столько же белка, как другие эмбрионы. Но они производят существенно меньшее количество белков, критических в процессе развития. Известные как гомеобоксы, эти белки жизненно необходимы для того, чтобы эмбрион разобрался со своей задней оконечностью. Барна обнаружила, что рибосомы без Rpl38 реже связываются с гомеобоксами и транслируют их иРНК. Это приводит к дефициту этих белков-организаторов и нарушению развития позвоночника, рёбер и хвостов.
Подобным образом, рибосомы без рибосомного белка RPL10A реже связываются с иРНК, кодирующей другой критически важный набор белков эмбрионального развития, которые участвуют в так называемом сигнальном пути Wnt. Снижение количества этих важных белков приводит к резкому прекращению развития после задней конечности, отчего создаётся ощущение, что заднюю часть отрезали.
«Хотя корень некоторых генетических расстройств с участием рибосомных белков похоже кроется в деятельности необычных рибосом, другие могут быть вызваны недостатком рибосом, причиной которых является строгий контроль качества клетки», — говорит Барна. Хорошими примерами могут послужить синдром Тричера-Коллинза, который приводит к аномалиям лица, и синдром Швахмана-Даймонда, который вызывает аномальное развитие скелета.
Это дефекты. Но иногда, как утверждает Барна, различия в структуре и составе рибосом могут быть функциональны. «Мы обнаруживаем, что определённые рибосомные белки в некоторых типах клеток встречаются чаще, чем в других, например, в нейронах и клетках кишечника», — говорит она. Последние результаты исследований её лаборатории предполагают, что вероятно даже существуют различные типы рибосом внутри одной клетки, которые специализируются в синтезе одних белков в противоположность другим.
Похоже, что в рибосомах, говорит она, «есть неизменное ядро, а уже во внешней оболочке — белки, которые могут варьироваться внутри клетки и между клетками и тканями». Барна считает, что это обеспечивает наш организм ещё одним способом регулировки того, какие белки производятся и в каком месте.
Солёные дрожжи
В ноябре 2023 года на двухдневной конференции в Лондоне, одной из организаторов которой была Барна, собралось множество учёных, интересующихся вариациями, обнаруженными в рибосомах, которыми они занимаются, и тем, какими могут быть их функции, если они вообще есть.
Некоторые не так уверены, что необычные рибосомы делают что-нибудь ещё, кроме как причинять неприятности. Катрин Карбстайн, биохимик из Университета Вандербильта, которая была соавтором статьи о контроле качества в рибосомах, вышедшей в 2024 году в журнале Annual Review of Cell and Developmental Biology, отмечает, что большинство известных примеров вариаций в рибосомах являются причиной смерти или заболевания. «Было продемонстрировано мало таких, которые помогают организму, если они вообще есть», — говорит она.
Карбстайн полагает, что большинство генетических расстройств, связанных с рибосомными генами, вероятнее всего вызваны недостатком рибосом в результате устранения дефектных экземпляров, а не особыми свойствами рибосом с отклонениями. Если люди или мыши в итоге приобретают специфический дефект, говорит она, вероятно это просто потому, что низкий уровень рибосом причиняет больше вреда в одних типах клеток, чем в других.
И всё-таки, в собственном докладе на конференции Карбстайн пересмотрела открытие, которое она сделала сама на исследуемых ею клетках дрожжей, которые, к её немалому удивлению, действительно показали полезный рибосомный вариант. Когда они растут при очень высоких концентрациях солей, дрожжевые клетки теряют рибосомный белок Rps26 почти в половине своих рибосом. Рибосомы без этого белка отличаются от других, обнаружила Карбстайн. Они более склонны транслировать молекулы иРНК, которые вырабатываются в качестве реакции на раздражитель.
И когда Карбстайн с коллегами начали намеренно удалять белки Rps26 из дрожжевых клеток, они обнаружили, что клетки стали устойчивы к большому содержанию соли. «Фактически», — говорит она, — теперь они лучше вырастают при высоком уровне солей».
Крабстайн также обнаружила, что дрожжи шустро реагируют на солевой стресс, при необходимости быстро удаляя из рибосом белки Rps26, а затем вставляя их обратно, когда стрессовая ситуация миновала.
Устойчивые рибосомы
Рибосомы содержат не только белки — около половины их структуры составляет РНК. А у эукариотов (форм жизни со сложными клетками, вроде наших) есть масса лишних РНК, торчащих из рибосом подобно щупальцам актиний. «Мы думаем, что они могут служить механизмом захвата информационной РНК», — говорит Барна.
Рибосомная РНК также выполняет наиболее важную и древнюю функцию внутри рибосом — на удивление эффективную трансляцию иРНК в белок. «Самые первые белки скорее всего были созданы рибосомной РНК», — утверждает структурный биолог Ада Йонат из Института естественных наук Вейцмана в Израиле, которая в 2009 году получила нобелевскую премию за свою работу по структуре рибосомы.
Йонат отмечает, что карман рибосомной РНК, где аминокислоты соединяются, чтобы сформировать белок, очень похож у всех видов, и она не считает, что это совпадение. «Мы считаем, что это — проторибосома, из которой развились полноценные рибосомы», — говорит она.
Исследователи рибосомы давно уделяют большую часть своего внимания этой изящной центральной зоне, где считывается иРНК и соединяются аминокислоты; меньше времени они потратили на изучение окраин рибосом. Кроме того, методы, при помощи которых рибосомы исследовались, создали сильное впечатление, что все рибосомы одинаковы. Но новые методы обнаружили больше разнообразия.
Йонат говорит, что хочет увидеть больше доказательств, что различия между рибосомами могут быть полезны. Сейчас её лаборатория сотрудничает с Барной и другими, чтобы обнаружить, не имеют ли рибосомы, в которых отсутствуют определённые белки, или присутствуют белки необычные, другой трёхмерной структуры, что могло бы объяснить, почему они работают иначе.
Йонат давно интересуется различиями между рибосомами у различных видов. Она говорит, что они могут быть полезны в разработке антибиотиков, нацеленных исключительно на рибосомы патогенов, при этом не нанося существенного вреда полезным микробам, обитающим в нашем организме, или нашим собственным клеткам. «Свыше 40 процентов клинически используемых антибиотиков нацелены на синтез белка, главным образом парализуя рибосому», — отмечает она.
Но её общение с фармацевтическими компаниями по поводу новых обнаруженных ею вероятных мишеней разочаровывает, добавляет она: «Они говорят, что бактерии выработают устойчивость». Действительно, в очевидном примере рибосомной изменчивости, который действительно полезен не для нас, а для патогена, антибиотики, нацеленные на рибосомы бактерий, могут способствовать выживанию бактерий с несколько отличающимися рибосомами, которые антибиотик больше не в состоянии блокировать.
Подпитывая пролиферацию
«Другой областью медицины, где вариации в рибосомах могут оказаться хорошей новостью, является лечение и диагностика рака. Около 25 процентов раковых заболеваний связаны с генетическими изменениями в рибосомных белках», — говорит Йонат, лаборатория которой также работает и в этой области.
Молекулярный биолог Давид Руггеро из Калифорнийского университета в Сан-Франциско — передовик в области исследований, ставящих целью понять и использовать эти различия. «Опухолевые клетки захватывают то, что развивается по иным причинам, и затем используют это в собственных интересах, — говорит он, — и сюда входят и рибосомы. Быстро делящиеся раковые клетки нуждаются в большом количестве белков, чтобы двигаться дальше».
Также исследования показывают, что определённые белки могут синтезироваться в больших количествах в процессе роста опухоли, или когда раковые клетки распространяются по всему организму, когда им приходится выживать в крови и других местах, в которых они никогда до этого не бывали.
В эти избыточно синтезируемые белки входят факторы роста и другие белки, которые повышают риск онкологии, и в лаборатории Руггеро обнаружили, что кодирующая их иРНК транслируется в раковых клетках в увеличенных количествах. «Обычные клетки регулируют их крайне осторожно», — говорит он. — Раковые клетки поступают с точностью до наоборот».
Руггеро и Барна обнаружили доказательства того, что здесь участвует рибосомный белок под названием RPL24: «Когда он пропадает из рибосом мышей, увеличения синтеза необходимых для пролиферации раковых клеток белков не происходит. Я верю, что чем больше мы поймём этот процесс, тем больше мы сможем усовершенствовать лечение рака», — говорит Руггеро.
Специфически нацеленные на рибосомные варианты методы лечения рака сегодня ещё очень далеки от применения, но некоторые уже используемые в клинических условиях продукты намекают на их потенциальную важность. Некоторые из них нацелены на полимеразу I, фермент, участвующий в выработке рибосомной РНК, которая часто обладает повышенной активностью в опухолевых клетках. А работа самого Руггеро вдохновила создателей экспериментальных препаратов, которые блокируют белки, именуемые факторами инициации трансляции, влияющие на степень вероятности транскрипции иРНК в рибосомах. Они используются всеми клетками, но многие раковые клетки очень от них зависят.
Один из этих препаратов в данный момент оценивается в трёх клинических исследованиях 2-й фазы для оценки его эффективности и безопасности при лечении рака груди, матки и яичника.
Пока что не существует доказательств того, что различия в рибосомах сами по себе могут использоваться для усовершенствования методов лечения. Но исследователи вроде Барны и Руггеро рассматривают это как одно из направлений для исследований, предполагая, что изучением рибосомных вариаций стоит заниматься, несмотря на скептическое отношение к ним. «Я участвую в этой рибосомой истории уже почти 50 лет, и слышала об этом почти всё», — говорит Йонат, чья ранняя работа также натолкнулась на непонимание. — И всё-таки я ожидаю огромного прогресса в медицине в результате лучшего понимания трансляции».
Автор статьи — Тим Верниммен (Tim Vernimmen).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Вам также может быть интересно: