научная статья по теме РИБОСОМА: УРОКИ СТРОИТЕЛЬСТВА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФАБРИКИ Биология

Текст научной статьи на тему «РИБОСОМА: УРОКИ СТРОИТЕЛЬСТВА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФАБРИКИ»

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2014, том 48, № 4, с. 543-560

= ОБЗОРЫ =

УДК 577.217.34

РИБОСОМА: УРОКИ СТРОИТЕЛЬСТВА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФАБРИКИ

© 2014 г. О. В. Сергеева1,3*, П. В. Сергиев1,2, А. А. Богданов1,2, О. А. Донцова1,2

Химический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, 119991 2Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, 119991 3Сколковский институт науки и технологий, Сколково, Московская область, 143025 Поступила в редакцию и принята к печати 29.01.2014 г.

Рибосома — макромолекулярный комплекс, осуществляющий синтез белков. В состав двух субчастиц бактериальной рибосомы входят три молекулы РНК суммарной длиной более 4000 н. и более 50 белков. Сборка рибосомы представляет собой сложный многоступенчатый процесс, жизненно важный для всех клеток. В обзоре рассмотрены существующие представления о механизме сборки бактериальной рибосомы в живой клетке и во внеклеточных модельных системах. До сих пор некоторые детали сборки этой клеточной машины остаются неизвестными.

Ключевые слова: Escherichia coli, рибосома, трансляция, РНК-хеликаза, GTPa3a, РНК-метилтрансфе-раза, рибонуклеопротеидный комплекс.

RIBOSOME: LESSONS OF A MOLECULAR FACTORY CONSTRUCTION, by O. V. Sergeeva1,3*, P. V. Sergiev1,2, A. A. Bogdanov1,2, O. A. Dontsova1,2 (1Chemistry Department, Moscow State University, Moscow, 119991 Russia; *e-mail: olga.sergeeva.v@gmail.com; 2Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Moscow State University, Moscow, 119991 Russia; 3Skolkovo Institute of Science and Technoligy, Skolkovo, Moscow region, 143025 Russia). Ribosome is a macromolecular complex, which is responsible for protein biosynthesis. Two bacterial ribosomal subunits contain more than 4000 RNA nucleotides and 50 proteins. Ribosome assembly is a complicated multi-step process, vitally important for cell. In this review we summarised present-day conceptions about the mechanism of the bacterial ribosome assembly in the cell and in vitro model systems. Some details of the assembly of this machinery are still unknown.

Keywords: E. coli, ribosome, translation, RNA helicases, GTPase, RNA methyltransferase, ribonucleoprotein. DOI: 10.7868/S0026898414040119

ВВЕДЕНИЕ

Рибосома — самая распространенная молекулярная машина клетки, основной функцией которой является синтез белков. Основная масса клеточной РНК представлена именно рРНК. Рибосома состоит из малой (рис. 1а) и большой (рис. 1б) субчастиц, на которые она обратимо диссоциирует. У кишечной палочки (Escherichia coli) эти субчастицы называются 50S и 30S в соответствии со своими коэффициентами седиментации [1]. Размер прокариотической рибосомы равен примерно 20 х 17 х 17 нм, длина малой субчастицы — около 23 нм, ширина — 12 нм.

Основной компонент малой субчастицы рибосомы — 16S рРНК, состоящая из 1542 н. (рис. 2а). Помимо 16S рРНК в состав малой субчастицы входит 21 белок (от S1 до S21, в порядке увеличения электрофоретической подвижности) [2]. В

* Эл. почта: olga.sergeeva.v@gmail.com

состав большой субчастицы входят две рРНК — 238 (2904 н.) и 58 (120 н.) (рис. 2б), а также 33 белка (Ы—Ь36). Большинство рибосомных белков жизненно необходимы для клетки [3].

Различные домены вторичной структуры 168 рРНК соответствуют крупным пространственным блокам 308 субчастицы: 5'-концевой домен образует "тело" и "плечо", центральный домен — "платформу", содержащую последовательность анти-Шайн-Дальгарно, главный 3'-концевой домен — "голову", а малый 3'-концевой домен 168 рРНК располагается на границе с 508 субчастицей и входит в состав "тела" 308 субчастицы. В 308 субчастице также можно отметить туннель, в котором в ходе трансляции находится 3'-конце-вая часть мРНК, "шпору" и "шею", образованные спиралями 6 и 28 168 рРНК соответственно.

Центральный

Рис. 1. Основные морфологические элементы малой 30S (согласно [2] с модфикациями) (а) и большой 50S (б) субчастиц рибосомы E. coli. Вид на малую субчастицу со стороны большой, и на большую со стороны малой. ПТЦ — пепти-дилтрансферазный центр.

Основная функция 308 субчастицы — считывание мРНК [4, 5].

В пространственной структуре большой субчастицы можно выделить характерные выступы: "пальцы" Ь1 и Ь7/Ь12, а также центральный протуберанец, образованный 58 рРНК и белками Ь5, Ь18 и Ь25. Кроме того, в структуре 508 субчастицы видна ложбина, в глубине которой находится каталитический пептидилтрансферазный центр рибосомы. От пептидилтрансферазного центра к цитоплазматической стороне 508 субчастицы идет сквозной туннель, служащий для выхода синтезируемого пептида. Туннель длиной около 100 А и диаметром примерно 25 А может вмещать пептид из 40 аминокислотных остатков. Обе субчастицы образуют тРНК-связывающие участки А, Р и Е, через которые при синтезе полипептида последовательно проходят тРНК [6]. Сборка рибосомы представляет собой сложный и точно скоординированный процесс, основными этапами которого являются: а) транскрипция, процессинг и модификация рРНК; б) синтез и модификация рибосомных белков; в) сворачивание (фолдинг) рРНК и рибосомных белков; г) связывание рибосомных белков с рРНК; д) связывание дополнительных белков, участвующих в сборке. Многие из этих этапов осуществляются одновременно [7].

НУКЛЕОЛИТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССИНГ рРНК

Все три рРНК (16S, 23S, 5S) синтезируются в виде одного транскрипта (рис. 3). Созревание транскрипта, образование локальных элементов вторичной структуры и связывание первых рибосомных белков начинается еще до окончания процесса транскрипции рРНК. Одновременно с этим ферментативной модификации подвергаются определенные нуклеотиды [4].

Первой эндорибонуклеазой, которая разрезает рРНК-транскрипт, является РНКаза III. Она отделяет предшественник рРНК от тРНК. В процессе транскрипции последовательности, фланкирующие 16S и 23S рРНК, формируют двойную спираль. Именно этот элемент узнается РНКазой III [8]. В итоге образуются предшественники 16S рРНК (17S рРНК), 23S рРНК, 5S рРНК (9S) и нескольких тРНК. РНКазы E, G и какие-то еще неизвестные удаляют 115 н. с 5'-конца и 33 н. с 3'-конца рРНК-транскрипта, что приводит к образованию 16S рРНК. Созревание 23S рРНК инициируется РНКазой III. 23S рРНК, вырезанная РНКазой III, содержит лишние нуклеотиды — три или семь на 5'-конце и семь или девять — на 3'-конце [9]. Конечный процессинг 5'-конца осуществляет пока неизвестный фермент, а за созревание 3'-конца отвечает экзорибонуклеаза РНКаза Т После разрезания РНКазой III с 3'-стороны от предшественника 5S рРНК остаются одна или две

700 ./^д

710

23

720 I

_ а I „ ,ссаи0 д « и G е лиеиеедОаАли G G с G i -II I ■ I 1 I I I ■ ■ • ■ I tl i *

UG?CQAuGUGGAt?CUUAAQÄu . gGCGS*

36

1090-

Q-C

37

37

U * G 1080 -11 I G,,

J^AAÜ ACGAGC ü I I • 1 I I I lr

90

Центральный домен

^cc JGGG U GCAUCUGACU G G с А A G с

G-C

670-

a-o

22

G -

—740

g" №

А * G U -i G - с

660-

u - А.

С - G u -А

-750

А - и 650 и,:г " \U

730

790

д Gi

I !J

U А

"g-Cc G-C А - U С - G

-800

U

GU UG IIGCUC G

351070 И9\ и-А

G-C

34

е_с,

1060—

С -G

38 1120

С С U U А UCCUUUG 11**1 I I I I I I I G G GGU AGGAAAC

и50

-1180

ll^CC ^GGLi^ • I I I I I С

A.GG GCCGG I

39 1140

1030

N160 40

UÜGGGCCC

. . . '760 GUGUAGACUGA UVGUUVG GCGi '

VaA

21

20

В"rf

780-

Gc - о agg • и

24

и - А

с; - с 770 — 810

и

А UGU - А

Jim GACUUUUGAAQ;

1010 33

10401050 ■'s G l . i<j - С

. -1200

1170'

ли-л CG - U . 11 '

GA

U™

26

i404

(■<4 G

"g УУ»

Ж».

17

5'-Концевой домен

16

£ви„

■■И

✓ 490

45^ /fi-' c.

agco

G • UA

18 18

C-G i; - G ' -5'

561^ 2

I9

Я С - G

570

„OO-C

510

25 830 " V0

¿.¡ш VsV

970

I I I I I I I CG

t- 0 i •:■ t. 860

890 -860

*0> 8704,1

GGG Г T3GCCG | . I ..IIS

С и с GUGGА

910 27

2 930

G — С

-1210 '/CA "Им

- т

А Й -GC С UU - А

» 32

\ U — А

-1220

С

г°С„

31

GnO„ и" - л

960

W 950-

41

1270

cgaa

Год-

900

29

28

A C„

a°c-o

430 I 44« . UAA„ % B^JG

500

550

С - G S U ч - С „G N

AG

У

i0

|0 ^^AUUGACG^ÜGGCCCG5. U a „' I I I I I . . I I I I I I

u-c

А - U CG • л

1340

4 „С А

1240

' Г

C»«UrO

1280

А А

I I I I I •• I I I I И II

0

А?

и

__________UAUGU G с U

I 400

420 >10 N

390 Vi

AGCCUGÄUGCA G с ч А° л 4

G с G ü G U А С G и

1

1400 —

ß Я

АД-

"Gl,'

. Т

cw ^ UAACCGUAGG^V

C-G ...........

G-C GUUÜGCÜUCC ff. 1 -1530 I

• - ■ -20

o-c"

А • G Л • G G • А

43

133^ ■

C-G

380

15

Ufl

14

ACQ,Q°A)fP

UC

Cuc 1334/

I -50

A3iM _ 70 6 80 5 4

60 ■■■ ^ 1 1 1 ........

AG — Сд / qA ^. aGUCUUUCUUCg

^00 90 1420

m5C_ GA

1410- I490

45

1520

1360

—1310

U -А C-G A -U G-C

42

14

с -e

А ■ G

u • G G . и O-C G . А А ■ G

а • и - -1

G-C

Главный 3'-концевой домен

м

1)С ■ А с - а G

310

gA с С-( 5 е А G а тЧ А .. I I I I g

^10

•320

12

280

290'

V " ^ - Я

\ -250

,с \VG

-120

Ч6С

11

10

220

GGGCCUCOU j I I II ■ I I ■ UCCGGGGAG AG T

C-G

■ -130

?-%

l0-fC G • IJ

C-G

-140

, c-0 ßC -0,

44

с -0

А - и

1430.

ч _1470

Ag-Cc

U -А

A-U

С -G

1450'

200

I • I I •

сессд —180

АС UAC UGG

llll*i J-

pGA UGGCA 170

Малый 3'-концевой домен

"C-G1 л - и о-с

190 —

а

1110

630 I

1000

620-

600

470

1250

1230

480

460

3

370

1320

330

300

7

230

8

160

9

Рис. 2. Схемы вторичной структуры 16S рРНК (а) и 23S рРНК и 5S рРНК E. coli (б). Обозначены домены вторичной структуры (согласно [4, 5] с модификациями).

Рис. 2. Окончание.

последовательности тРНК. 5'-конец тРНК про-цессируется РНКазой P, что приводит к образованию 9S рРНК с 84 дополнительными нуклеотида-ми на 5'-конце и 42 — на З'-конце [10]. Завершают процессинг РНКаза T и пока еще неизвестная РНКаза (рис. 3) [11-13].

СБОРКА 30S СУБЧАСТИЦЫ РИБОСОМЫ

Белки, взаимодействующие с 16S рРНК, классифицируют по области рРНК, с которой они связываются или по очередности связывания. Белки, взаимодействующие непосредственно с рРНК, считаются первичными, за ними следуют вторичные, последними связываются третичные белки [7].

Для описания процесса формирования 30S субчастицы предложена схем

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.

Показать целиком