БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 8, с. 1250 - 1261
УДК 577.217.347:57.052.2:544.165:51-76
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ПЕРЕДАЧИ АЛЛОСТЕРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В РИБОСОМЕ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ*
© 2015 Г.И. Макаров1, А.В. Головин2, Н.В. Сумбатян1, А.А. Богданов1,3**
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет, 119991 Москва
2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, 119991 Москва; электронная почта: bogdanov@belozersky.msu.ru
Поступила в редакцию 02.03.15 После доработки 13.04.15
Рибосома представляет собой молекулярную машину, которая синтезирует все клеточные белки, транслируя генетическую информацию, закодированную в полинуклеотидной цепи информационной РНК. Известно, что переход от одной стадии рабочего цикла рибосомы к последующей строго координирован изменениями структуры и взаимного расположения как субъединиц самой рибосомы, так и ее лигандов. При этом информация о структурных перестройках передается из одного функционального центра рибосомы в другой с помощью специфических сигналов. Поскольку функциональные центры рибосомы, как правило, находятся друг от друга на расстоянии, достигающем нескольких десятков ангстрем, считается, что передача таких сигналов осуществляется аллостерически. В настоящей работе изучали каким образом может передаваться аллостерический сигнал из одного т.н. сенсорного центра рибосомного туннеля (РТ) в пептидил-трансферазный центр рибосомы (ПТЦ). Методом моделирования молекулярной динамики (МД) изучали сегмент стенки РТ рибосомы E. coli, состоящий из нуклеотидных остатков А2058, А2059, m2A2503, G2061, А2062 и С2063 23S рРНК. Показано, что потенциальный сигнал-передающий путь A2058—C2063 ведет себя как динамический ансамбль взаимозависимых конформационных состояний, изменения в котором могут происходить путем каскада. Высказано предположение, что структурная перестройка сегмента А2058—С2063 РТ приводит к обратимой инактивации ПТЦ, вследствие образования сильного стэкинг-кон-такта функционально важного остатка ПТЦ U2585 с нуклеотидным остатком С2063. Обсуждается возможная роль наблюдаемого конформационного перехода в сегменте А2058—С2063 в регуляции работы рибосомы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: рибосома, рибосомный туннель, моделирование, аллостерия, молекулярная динамика.
Рибосома представляет собой молекулярную машину, которая синтезирует все клеточные белки, транслируя генетическую информацию, закодированную в полинуклеотидной цепи информационной РНК (мРНК). Известно, что переход от одной стадии рабочего цикла рибосомы к последующей модулируется строго координированными изменениями структуры и взаимного расположения как субъединиц самой рибосомы, так и ее лигандов — тРНК и белковых факторов трансляции [1—5]. При этом информация об этих структурных перестройках передается из
* Первоначально английский вариант рукописи был опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow), Papers in Press, BM 15-063, 05.07.2015.
** Адресат для корреспонденции.
одного функционального центра рибосомы в другой с помощью специфических сигналов [6]. Поскольку функциональные центры рибосомы, как правило, находятся друг от друга на большом расстоянии, иногда достигающем нескольких десятков ангстрем, высказано предположение, что передача таких сигналов осуществляется аллостерически [7]. При этом были получены веские свидетельства в пользу того, что рибо-сомные РНК (рРНК) играют в этом процессе ключевую роль [8, 9]. Вполне вероятно, что некоторые антибиотики, ингибирующие трансляцию, также воздействуют на функциональные центры рибосомы, не контактируя с ними непосредственно, т.е. аллостерически [10—13].
Примером аллостерического воздействия на эффективность работы рибосомы могут служить
последствия единичных мутаций, вставок и де-леций нуклеотидных остатков рРНК, расположенных в макромолекулярной структуре рибосомы на больших расстояниях от ее функциональных центров. Такие направленные локальные искажения в первичной структуре рРНК, как правило, приводят к изменению взаимной ориентации ее многочисленных нуклеотидных остатков, что было зафиксировано с помощью методов химической модификации (т.н. «про-бинга»), которые используются при стандартном анализе вторичной структуры РНК. Важно, что эти остатки локализованы во внутририбо-сомной третичной структуре рРНК в достаточно компактных каналообразных областях, по которым, по-видимому, и передаются аллостеричес-кие сигналы [14—17].
Аллостерические эффекты, наблюдающиеся при функционировании белков и особенно белков-ферментов, интенсивно исследуются и обсуждаются уже около полувека [18], и в понимании их природы достигнуты серьезные успехи (например, обзор [19]). В то же время механизмы передачи аллостерических сигналов в макромолекулах РНК и в РНК-белковых комплексах начали изучать только в последние годы [20, 21], и на сегодня они еще фактически неизвестны.
В настоящей работе мы изучали каким образом может передаваться аллостерический сигнал из одного из т.н. сенсорных центров рибо-сомного туннеля (РТ) в пептидил-трансфераз-ный центр рибосомы (ПТЦ) E. coli, где происходит синтез полипептидной цепи белка. РТ расположен внутри большой субъединицы рибосомы. Он соединяет ПТЦ с областью на поверхности рибосомы, где протекают первые этапы посттрансляционной модификации и сворачивания полипептидной цепи вновь синтезированных белков. Кроме того, с РТ связываются многочисленные антибиотики, ингибиторы синтеза белка на рибосоме [22]. Стенки РТ сформированы остатками рРНК и р-белков, а его область, примыкающая к ПТЦ, которая и была объектом настоящего исследования, так же, как и сам ПТЦ, построена исключительно из нуклеотидных остатков 23S рРНК [23]. Подавляющее большинство полипептидных цепей синтезируемых рибосомой белков перемещаются по РТ достаточно свободно. Однако из этого правила есть исключения: известно несколько (пока еще немногочисленных) случаев, когда синтез полипептидной цепи белка в ПТЦ и ее транспорт по РТ останавливаются. Это происходит вследствие того, что специфические аминокислотные остатки растущей в РТ цепи, находящиеся в ней в строго определенных положениях, контактируют с особыми (сенсорными) нуклеотидными
остатками на стенках РТ. Сигнал об этом событии поступает в ПТЦ, который, приняв его, инактивируется и теряет способность катализировать образование новых пептидных связей. При этом работу рибосомы может остановить либо сам растущий в ней полипептид, либо для этого дополнительно требуется присутствие в РТ низкомолекулярных кофакторов [24]. В последнем случае известны многочисленные примеры (системы), когда роль кофактора выполняют антибиотики макролиды и кетолиды [25]. Поскольку участвующие в этих событиях остатки 23S рРНК находятся вне ПТЦ, считается, что передача сигнала от сенсора в этот центр происходит аллостерически.
Остановка работы рибосомы в результате описанных вышей событий — важный способ регуляции биосинтеза белка на уровне трансляции, и не удивительно, что это явление интенсивно изучается (обзор [24]). Предполагается, в частности, что в рибосоме E. coli существуют, по крайней мере, две цепочки нуклеотидов 23S рРНК, образующие пути, по которым сигнал может передаваться от сенсоров РТ в ПТЦ [26]. Так, например, один из этих вероятных путей, начинающийся нуклеотидным остатком А752, был недавно изучен с помощью комбинации методов криоэлектронной микроскопии, молекулярного моделирования и биохимического анализа [27]. Показано, что антибиотик эритромицин смещает положение С-конца т.н. лидерного пептида эритромицин-зависимой метилтранс-феразы Erm BL таким образом, что он образует контакт с нуклеотидными остатками, формирующими ПТЦ, и переводит его в неактивное состояние, что и приводит к остановке трансляции.
В настоящей работе мы использовали метод моделирования молекулярной динамики (МД) для изучения другого сегмента стенки РТ рибосомы E. coli, состоящего из нуклеотидных остатков А2058, А2059, m2A 2503, G2061, А2062 и С2063, участие которых в передаче сигнала от сенсорного сайта А2058—А2059 достаточно убедительно продемонстрировано сайт-направленным мутагенезом [25]. Начало этого вероятного сигнального пути (остаток А2058) находится на расстоянии примерно 20 А от ПТЦ. Важно отметить, что расположенные в начале этого пути остатки A2058 и A2059 участвуют в формировании центра связывания всех антибиотиков-мак-ролидов и -кетолидов в РТ [28]. Кроме того, уже достаточно давно известно, что ^-диметили-рование А2058 приводит к устойчивости бактерий к антибиотикам этих и нескольких других классов [29].
Несмотря на исключительную сложность объекта, после расшифровки атомных структур
рибосомы метод МД многократно использовался для описания динамических аспектов структуры и функционирования как целой рибосомы, так и отдельных ее частей [30]. Его применяют также для изучения структуры и функций РТ [31]. В частности, этим методом были установлены некоторые потенциальные контакты ключевых аминокислотных остатков в пептидах, останавливающих трансляцию, с сенсорными нуклеотидными остатками РТ [32]. Недавно с помощью этого метода нам удалось установить возможные причины аномальной биологической активности пептидных производных макролидов — ингибиторов синтеза белка, и обнаружить новый потенциальный сайт взаимодействия растущей в РТ полипептидной цепи с его стенками [33]. В данной работе мы наблюдали методом моделирования МД, что потенциальный сигнал-передающий путь А2058—С2063 ведет себя как динамический ансамбль взаимозависимых конформационных состояний, изменения в котором могут распространяться каска-дообразно. При этом мы предполагаем, что структурная перестройка сегмента А2058—С2063 РТ приводит к обратимой инактивации ПТЦ. В работе обсуждается возможная роль наблюдаемого конформационного перехода в сегменте А2058—С2063 238 рРНК в регуляции работы рибосомы.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Моделируемая система. Стартовая система была сконструи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.