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.