БИОХИМИЯ, 2012, том 77, вып. 6, с. 686 - 700
УДК 577.217.34
РИБОСОМНЫЕ БЕЛКИ: СТРУКТУРА, ФУНКЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ
Обзор
© 2012 г. А.В. Коробейникова, М.Б. Гарбер, Г.М. Гонгадзе*
Институт белка РАН, 142290 Пущино Московской обл., ул. Институтская, 4; факс: (495)514-0218, электронная почта: gongadze@vega.protres.ru
Поступила в редакцию 25.02.12
Вопрос о причинах многообразия рибосомных белков, возникший более 40 лет назад, до сих пор остается открытым. Рибосомы современных организмов содержат 50—80 индивидуальных белков. Одни из них характерны для всех доменов жизни (так называемые универсальные рибосомные белки), а другие являются особенностью архей, бактерий или эукариот. За прошедшее время была собрана обширнейшая информация о рибосомных белках, однако роль большинства из них в формировании и функционировании рибосомы еще не очень понятна. На основании современных экспериментальных и биоинформационных данных в обзоре дается комплексная оценка структурной консервативности рибосомных белков из эволюционно удаленных организмов. С учетом современных сведений об особенностях структурной организации группы универсальных белков, а также об их межмолекулярных контактах обсуждается возможная роль отдельных белков и их структурных элементов в формировании и функционировании рибосомы. Структурная и функциональная консервативность большинства белков этой группы позволяет предположить их присутствие в рибосоме уже на ранних этапах ее эволюции.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: рибосомные белки, РНК-белковые взаимодействия, рибосома, эволюция.
РИБОСОМНЫЕ БЕЛКИ ТРЕХ ДОМЕНОВ ЖИЗНИ: РАЗНООБРАЗИЕ, СХОДСТВО И РАЗЛИЧИЯ ИХ СТРУКТУР
Впервые многообразие рибосомных белков Escherichia coli было продемонстрировано еще 40 лет назад [1], когда в рибосоме этой бактерии было обнаружено не менее двух десятков различных полипептидов. В последующие несколько лет было показано, что множественность рибосомных белков характерна и для других бактерий [2]. Метод разделения рибосомных белков с помощью двумерного электрофореза в ПААГ, разработанный в то же время [3], позволил довольно быстро осуществить анализ рибосомных белков из представителей всех доменов жизни [4—6]. Из полученных данных следовало, что бактериальные и архейные рибосомы содержат 50—60 разных полипептидов, а эукариотические рибосомы — около 70. Однако эти результаты не позволяли ответить на принципиальный вопрос: являются ли обнаруженные в рибосоме несколько десятков полипептидов индивидуальными белками? Для получения ответа на этот во-
* Адресат для корреспонденции.
прос для рибосом E. coli понадобилось еще 10 лет (см. для обзора [7, 8]). Комплекс работ по определению первичных структур всех рибосомных белков E. coli и секвенированию их генов позволил сделать вывод: рибосомы этого организма содержат 53 индивидуальных белка. Большинство этих белков имели небольшой размер (50—150 аминокислотных остатков), а сравнительный анализ их первичных структур не выявил участков протяженной гомологии между ними (не более шести идентичных остатков) [7, 9]. Таким образом, каждый из рибосомных белков данного организма оказался уникальным по своей аминокислотной последовательности. Такое же заключение можно сделать сегодня на основе результатов анализа первичных структур рибосомных белков других бактерий, архей и эукариот [10, 11].
Одновременно с определением первичных структур рибосомных белков из E. coli проводились аналогичные исследования и для белков из других организмов [7, 12, 13]. Это дало возможность прояснить вопрос о степени родства рибосомных белков из разных доменов жизни. Одна из таких попыток была осуществлена в 1995 г., когда сравнили известные на тот момент пер-
вичные структуры рибосомных белков крысы, человека, дрожжей, нескольких архей и бактерии E. coli [14]. В результате проведенного анализа было выявлено 31 семейство рибосомных белков, присутствующих в рибосомах представителей всех доменов жизни. К концу XX в. произошел технический и методический прорыв в секвенировании целых геномов. Все это позволило уже в 2002 г. провести более масштабное сравнительное исследование генов рибосомных белков [15]. Было проанализировано 66 геномов различных видов (45 бактерий, 14 архей и 7 эука-риот). Было выявлено 57 различных рибосомных белков в бактериях, 68 — в археях, 78 — в эука-риотах (рис. 1). Среди 102 семейств рибосомных белков только 34 (так называемые универсальные рибосомные белки) были обнаружены в представителях всех доменов жизни (15 и 19 в малой и большой рибосомных субчастицах соответственно). Этот результат подтверждал более раннее заключение [14].
Сегодня на основании анализа первичных структур и некоторых других свойств известных рибосомных белков можно сделать несколько важных выводов об их разнообразии, консервативности и эволюции их структуры. В соответствии с уже отмеченной выше группировкой всех известных рибосомных белков одна из этих групп, универсальные рибосомные белки, содержит 34 представителя, обнаруживаемых в рибосомах всех доменов жизни [15] (рис. 1). В эту группу входят 15 белков малой (S2—S5, S7—S15, S17 и S19) и 19 белков большой (L1—L6, L10—L15, L18, L22—L24, L29, L30 и L7ae) рибо-сомных субчастиц. Универсальность белков этой группы подтверждается результатами ряда других исследований. Так, белки этой группы обнаруживаются в рибосомах органелл большинства исследованных организмов, а гены почти всех указанных белков присутствуют в геноме самой маленькой бактерии Mycoplasma genitali-um [16—19]. Однако сегодня, когда появились новые экспериментальные данные, хотелось бы внести некоторые коррекции в список универсальных рибосомных белков. Например, в эту группу не был включен рибосомный белок L16 бактерий [15], хотя еще в 2001 г. было отмечено, что центральные части первичных структур белка L16 бактерий и белка L10e археи Haloarcula marismortui обладают значительным сходством [20]. Более того, было установлено, что эти белки являются структурными и функциональными гомологами, имея сходную пространственную укладку и занимая в рибосоме идентичное положение [21, 22]. Другой пример — рибосом-ный белок L7ae, который был отмечен как возможный представитель группы универсальных
рибосомных белков [15]. С одной стороны, этот белок, обнаруженный в эукариотической и ар-хейной рибосомах [23—25], не был обнаружен в бактериальных рибосомах [26—29]. С другой стороны, сегодня ген белка L7ae обнаруживается в геномах не всех бактерий, а только отдельных представителей двух бактериальных классов — Bacilli и Clostridia [11, 15]. Поэтому данный белок, вероятнее всего, не является универсальным рибосомным белком. Можно предположить, что список универсальных рибосомных белков пока еще не окончательный и будет изменяться в дальнейшем.
Первый достаточно полный анализ распределения генов рибосомных белков в хромосоме был проведен еще 25 лет назад для E. coli [8]. Десятки геномов различных организмов, секвени-рованных за прошедшее время [11], позволили провести сравнительный анализ распределения генов разных рибосомных белков в хромосомах архей и бактерий [30]. Оказалось, что гены большинства универсальных рибосомных белков
Рис. 1. Диаграмма Венна, отображающая распределение рибосомных белков среди трех доменов жизни: бактерий (Б), архей (А) и эукариот (Э). Указано общее число семейств рибосомных белков для каждого домена. В скобках указано количество белков в малой и большой рибосомных субчастицах соответственно. За основу взята схема из работы [15] и модифицирована
как у бактерий, так и у архей сгруппированы в нескольких крупных оперонах (например, у E. coli гены 30 из 34 этих белков сосредоточены в пяти оперонах: spc, S10, Alpha, L11 и str). В то же время гены большинства неконсервативных рибосомных белков рассредоточиваются по хромосоме, объединяясь в опероны с генами, часто не имеющими отношения к трансляции. С одной стороны, объединение генов рибосомных белков в крупные опероны позволяет достаточно просто и эффективно осуществлять регуляцию их синтеза [8], с другой — обнаруженная сгруп-пированность универсальных рибосомных белков на уровне генов может свидетельствовать об их близости по времени появления в рибосоме.
Детальный сравнительный анализ первичных структур универсальных рибосомных белков позволил выявить блочность их организации [31]. Эти блоки представляют собой участки аминокислотной последовательности длиной 8—70 аминокислотных остатков, уникальные для каждого семейства белков (рис. 2). Само существование этих консервативных блоков в белках всех доменов жизни явно указывает на то, что данные белки могли присутствовать в проторибосоме еще до расхождения трех ветвей, архей, бактерий и эукариот. Кроме того, оказалось, что некоторые универсальные белки (S9—S13, L1, L5, L6, L11, L14-L16 и L29) в значительной степени сохраняют свои размеры и почти не имеют дополнительных неконсервативных блоков в структуре [31] (рис. 2). Интересно отметить, что многие из указанных белков участвуют в формировании функциональных центров рибосомы. По-видимому, сохранение структуры отмеченных участков (блоков) в универсальных белках является необходимым условием поддержания структуры функционально активной рибосомы.
Кроме группы универсальных рибосомных белков существуют еще 68 семейств рибосом-ных белков (рис. 1). Среди них не было обнаружено рибосомных белков, которые присутствовали бы только в таких парах, как бактерии и эукариоты или бактерии и археи; 33 рибосомных белка оказались общими для архей и эукариот, но не были обнаружены в бактериях [15]. Один белок оказался особенностью архей, а 11 — эукариот (рис. 1). Таким образом, за исключением одного белка, архейная рибосома с точки зрения белкового состава может считаться уменьшенной копией эукариотической рибосомы. Относительно роли 33 рибосомных белков, характерных для архей и эукариот, было высказано предположение, что они могут быть важны для стабилизации дополнительных структурных элементов рРНК, которые отсутствуют в РНК бак-
терий [14]. Это предположение подтвердилось при структурных исследованиях рибосомы из дрожжей и археи H. m
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.