МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2011, том 45, № 5, с. 805-816
= ОБЗОРЫ
УДК 577.217
ВНЕРИБОСОМНЫЕ ФУНКЦИИ БАКТЕРИАЛЬНЫХ РИБОСОМНЫХ БЕЛКОВ © 2011 г. Л. В. Асеев, И. В. Бони*
Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук, Москва, 117997 Поступила в редакцию 15.03.2011 г.
Принята к печати 25.03.2011 г.
Рибосомные белки составляют значительную часть протеома клетки. Хотя их основное предназначение — служить интегральными компонентами белоксинтезирующей машины, рибосомы, многие из них по совместительству способны выполнять другие функции вне рибосомы как индивидуальные белки-регуляторы или же в составе комплексов с другими клеточными компонентами. Внерибосомные активности некоторых рибосомных белков отмечали еще в 70-80-х годах, но в последние годы список белков-совместителей и репертуар дополнительных функций, которые они выполняют вне рибосомы, значительно расширились благодаря развитию новых методов анализа белок-белковых и РНК/ДНК-белковых взаимодействий в сложных комплексах, вовлеченных в различные клеточные процессы. В этом обзоре собрана информация о функциях бактериальных рибосомных белков, доказанных или же гипотетически возможных, которые они способны выполнять в клетке.
Ключевые слова: рибосомные белки бактерий, внерибосомные функции, РНК/ДНК-белковые взаимодействия, белок-белковые взаимодействия, регуляция клеточных процессов.
EXTRARIBOSOMAL FUNCTIONS OF BACTERIAL RIBOSOMAL PROTEINS, by L. V. Aseev, I. V. Boni* (Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, 117997 Russia; *e-mail: irina_boni@ibch.ru, irinaboni@gmail.com). Ribosomal proteins (r-proteins) constitute a considerable part of the cellular proteome. Though their primary role in a cell is to serve as integral components of protein synthesis machinery, the ribosome, many of them have functions beyond the ribosome (the phenomenon known as moonlighting), acting either as individual regulatory proteins or in complexes with other cellular components. Extraribosomal activities of some ribosomal proteins have been observed as early as in the 1970— 1980s. During the last years both a list of r-proteins-moonlighters and the repertoire of their additional functions beyond the ribosome have been greatly expanded, mainly due to newly developed techniques for dissecting RNA/DNA-protein or protein-protein interactions within functional complexes involved in various cellular processes. In this review, we surveyed information on the experimentally proven as well as on presumptive extrari-bosomal functions which may be performed by bacterial r-proteins in a cell.
Keywords: bacterial ribosomal proteins, extraribosomal functions, RNA/DNA-protein interactions, proteinprotein interactions, regulation of cellular processes.
ВВЕДЕНИЕ
Синтез белков у всех организмов происходит на рибосомах — сложных рибонуклеопротеидных комплексах, состоящих из двух субъединиц — малой (у прокариот 308, у эукариот 408) и большой (508 и 608 у про- и эукариот соответственно), в состав которых входят три (у прокариот) или четыре (у эукариот) молекулы рибосомных РНК (рРНК) и несколько десятков различных белков (р-белков). Бе-локсинтезирующий аппарат клетки удивительно консервативен в эволюции. Считается, что рибосома, близкая по структуре и составу современной,
* Эл. почта: irina_boni@ibch.ru
сформировалась уже в период общего предка всех организмов (last common ancestor) до их разделения на три царства (для обзора см. [1]). Основанием для такого заключения служит тот факт, что консервативность многих р-белков прослеживается от бактерий до человека. Так, универсальными являются 15 белков малой субъединицы (у бактериальной рибосомы S2—S5, S7—S15, S17, S19) и 19 белков большой субъединицы (L1—L6, L10—L16, L18, L22—L24, L29, L30) [2, 3].
Широкое распространение получила гипотеза о том, что молекулярный механизм синтеза пептидных цепей возник в мире РНК. Реликт этого начального этапа эволюции трансляционного аппара-
та, как полагают, — пептидилтрансферазный центр (ПТЦ), состоящий почти исключительно из РНК [1, 2]. Вопросы о том, на каком этапе эволюции к рРНК присоединились р-белки и каково их происхождение, до сих пор остаются предметом дискуссий. Учитывая удивительное структурное разнообразие р-белков, предполагается, что наиболее древние из них коэволюционировали с рРНК для формирования и/или поддержания ее активной конформации, тогда как более поздние по происхождению могли быть привлечены из других процессов для усовершенствования качества и точности трансляционного аппарата [1]. Белки составляют от трети до половины массы современной рибосомы и совершенно необходимы для трансляции. Хотя у бактерий гены ряда р-белков можно удалить без потери клеткой жизнеспособности [4], как правило, это приводит к различным дефектам роста в определенных условиях. Специфические функции р-белков в процессе белкового синтеза долго оставались неизвестными и начали проясняться сравнительно недавно [3, 5].
Как структурные компоненты рибонуклеопро-теида большинство р-белков обладают РНК-связы-вающей способностью, при этом некоторые из них могут связывать и ДНК, что косвенно указывает на возможность их кооптации на более поздних этапах эволюции. В составе рибосомы р-белки взаимодействуют не только с рРНК, но и со своими белковыми партнерами, т.е. имеют способность к белок-белковым взаимодействиям. Эти свойства предполагают потенциальную возможность образования комплексов с другими клеточными компонентами для выполнения функций вне рибосомы, что и доказано для ряда про- и эукариотических р-белков [6, 7].
Внерибосомную активность ряда бактериальных р-белков обнаружили более 30 лет назад; в первую очередь это относится к способности некоторых из них выполнять регуляторную роль специфических репрессоров трансляции мРНК своего оперона, т.е. осуществлять аутогенный контроль (обзоры [8, 9]). С развитием методов анализа сложных функциональных комплексов, вовлеченных в регуляцию клеточных процессов, стало ясно, что количество р-белков, способных выполнять дополнительные функции в клетке, а также разнообразие этих функций было явно недооценено; в частности, оказалось, что р-белки могут принимать участие в регуляции транскрипции [10]. В настоящем обзоре собран материал по внерибосомным функциям р-белков бактерий, предполагаемым или уже полностью доказанным. Для обзора выбрана форма каталога, где каждому р-белку, выполняющему работу по совместительству, посвящен отдельный раздел, при этом дается и краткое описание тех функций (если они известны), которые этот белок выполняет в составе рибосомы.
ФУНКЦИИ РИБОСОМНЫХ СУБЪЕДИНИЦ В ПРОЦЕССЕ ТРАНСЛЯЦИИ
Малая субчастица рибосом бактерий (30S), в состав которой входит одна молекула РНК (16S рРНК) и около 20 белков (в зависимости от источника; например, у Escherichia coli 21 белок, от S1 до S21), отвечает за узнавание и связывание мРНК на этапе инициации трансляции, за декодирование содержащейся в мРНК информации и поддержание рамки считывания в процессе синтеза белковой цепи. Большая субчастица рибосом (50S) содержит две молекулы рРНК (23S и 5S) и более 30 р-белков (33 в E. coli), не контактирует с мРНК, принимает непосредственное участие в катализе образования пептидной связи в ПТЦ и обеспечивает выход растущей белковой цепи через "выходной" туннель (exit tunnel).
Транспортные РНК (тРНК) занимают в трансляционном цикле последовательно А, Р и Е-сай-ты, расположенные на обеих субъединицах: в декодирующем центре 30S субчастицы происходит взаимодействие антикодонов тРНК с мРНК, а на 50S субчастице располагаются универсальные ССА-концы тРНК, несущие аминокислоту или же растущую белковую цепь. Взаиморасположение р-белков и участков рРНК в важнейших функциональных центрах, а также расположение лигандов (тРНК, мРНК, факторов трансляции, антибиотиков) и их взаимодействие с рибосомными компонентами в настоящее время достаточно хорошо известны благодаря рентгеноструктурному анализу с высоким разрешением и криоэлектронной микроскопии (для обзора и ссылок см. [11]).
ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОВ РИБОСОМНЫХ БЕЛКОВ НА БАКТЕРИАЛЬНОЙ ХРОМОСОМЕ
Гены р-белков бактерий организованы в оперо-ны, в которые часто включены гены нерибосом-ных белков — факторов трансляции (tsf, fus, tufA), субъединиц РНК-полимеразы (rpoA, rpoB, rpoC, rpoD), компонентов репликационного комплекса (dnaG—праймаза, priB—праймосомный белок N, необходимый для рестарта репликации). Это указывает на взаимосвязь основных процессов реализации генетической информации и необходимость их координации в бактериальной клетке. Кроме того, в состав ряда оперонов р-белков входят гены, продукты которых участвуют в модификации и процессинге тРНК (trmD и rnpA соответственно), созревании рРНК (rimM), экспорте белков через мембрану (secY). Биологический смысл включения этих генов в состав оперонов р-белков пока не очень ясен, часто нерибосомные гены регулируются независимо от генов р-белков [8]. Строение оперонов р-белков и их распределение на хромосомной карте E. coli показано на рисунке.
P (S2 )
EL W
EF-Ts
t t
rpsT (0.45)
P
El
-| yceD~ — rpmF — (24.7)
S16*
att
rpsB-tsf (4.09)
P L35 (L20!
I 4---/ t
P P P
r rr
-4 cmk hl
(SD
rpsA (20.7)
L25* (P) L25 t
rplY -
L19*
rpml-rplT (38.7) PPP S21*
(49.15)
PPP
rpsP - rimM - trmD - rplS —
t DNA primase sigma 70 t
trmD (59.14)
P (P)
t
rpsU\—I dnaG H rpoD -att (69.16)
P (S15)
r* vly ^_t r. t
J-Iffl^^ pnp |— -H rplUV-\rpmA-
L21* L27*
P
r
L13*
S9*
rplM -\ rpsl -
rpsO (71.33)
P P
S13 S11
(71.8)
alpha_
-| rpoA |-|
alpha (74.15)
(72.77)
L17
H
att
L14 L24 L5 S14 S8 L6 L18 S5 L30 L15
rplE ! rpsNi rpsH ! rplF ! rplR ! rpsE \rpmD\ rplO
L36*
secY
rpmJ —
^-Tatt
P S10
Г
L3
att
rpsJ ! rplC
(l4J L23 L2
spc (74.27)
S19 L22 S3 L16 L29 S17
rpsSj rpl^ S rpsC ! rplP \rpmC\ rpsQ
P L28* L33*
PPP
rpmB — rpmG —
SlO (74.38)
str (74.84) L34*
rpmH — mpA —
P L31* H
rpmE —
(82.11)
P
L11
rplKi rplA
Lll (90.02)
(83.68) P
(88.91)
rplJ щ rplL
Гг
beta
b
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.