Адреса доставки білка вказана вже в матричній РНК

Ріс. 1. Раніше вважалося, що інформація про майбутню локалізацію білка укладена виключно в білковій молекулі, проте, очевидно, вже молекула мРНК несе в собі інформацію про «адресу доставки» білка, який вона кодує, що дозволяє їй заздалегідь переміщатися в потрібну частину клітини. Ілюстрація зі статті Kumaran S. Ramamurthi «» mRNA delivers the goods «» у Science

Впорядкована структурна організація всередині бактеріальної клітини передбачає, що повинні існувати механізми, за допомогою яких відбувається сортування синтезованих білкових молекул залежно від їх функції і доставка до місця призначення. Вважалося, що розподіл білків всередині бактеріальної клітини визначається виключно властивостями самих білкових молекул. Вчені з Ізраїлю показали, що «адреса доставки» майбутнього білка закодована вже в матричній РНК (мРНК). Тобто молекули мРНК можуть заздалегідь переміщатися в місця призначення білків, які вони кодують.

Відомо, що розподіл білків у клітинах усіх живих організмів визначається як мінімум двома факторами. По-перше, кожне місце призначення білка всередині клітини має свою унікальну структуру, що відрізняє їх один від одного. По-друге, сама білкова молекула має специфічну мітку, яка задає потрібний напрямок для переміщення всередині клітини, а також розпізнається в місці призначення конкретного білка. Таким чином, якщо умовно поділити клітку на відсіки, то для потрапляння в певний клітинний відсік у білкової молекули повинен бути специфічний код доступу.

У еукаріотичних організмів мРНК здатні до цілеспрямованого переміщення всередині клітини. Частково це визначається тим, що синтез мРНК відбувається в ядрі клітини, а їх процесинг (тобто дозрівання) — вже в цитоплазмі. У бактерій — у яких, як і у інших прокаріот, ядра немає — процеси транскрипції (синтезу мРНК) і трансляції (синтезу білків на основі мРНК) пов’язані в просторі і в часі, і синтез білка часто починається ще до закінчення транскрипції. Тому вважалося, що вибір майбутньої локалізації білків визначається виключно їх властивостями.

Однак нещодавно вчені виявили, що бактеріальні молекули мРНК теж здатні до цілеспрямованого переміщення всередині клітини, залежно від «адреси доставки» білків, які вони кодують. Причому відбувається це ще до початку трансляції. За допомогою генно-інженерних підходів з використанням флуоресцентних міток і мікроскопії вдалося простежити за переміщенням і кінцевою локалізацією двох мРНК, одна з яких кодувала цитоплазматичний білок, а друга — мембранний. Виявилося, що молекули мРНК цитоплазматичного білка формували спіралевидні ділянки в цитозолі клітини, в той час як мРНК, що кодують мембранний білок, були виявлені по периферії клітини (рис. 2).

Рис, 2. Внутрішньоклітинна локалізація молекул мРНК залежить від подальшої локалізації білків, які вони кодують. a — мРНК, кодирующие хлорамфеникол ацетилтрансферазу (цитоплазматический белок) образуют спиралевидные структуры в цитозоле клетки; b — молекули мРНК, що кодують лактозну пермеазу (мембранний білок) виявлені по периферії клітини. Ілюстрація з обговорюваної статті в Science

Згідно з теорією сигнальних пептидів, відразу ж після того, як рібосома починає синтезувати поліпептидний ланцюг майбутнього мембранного білка, відбувається тимчасова зупинка трансляції. Після цього тимчасово «заморожений» потрійний комплекс, що складається з рибосоми, мРНК і короткого поліпептидного ланцюжка, переміщується за допомогою секреторного апарату клітини ближче до плазматичної мембрани. Далі відбувається відновлення білкового синтезу, і готовий білок вбудовується в мембрану. Тобто переміщення мРНК всередині клітини відбувається вже після початку трансляції. Однак автори дослідження показали, що навіть якщо штучно зупинити в клітці трансляцію за допомогою відповідних антибіотиків або порушивши послідовність нуклеотидів за допомогою мутацій, то мРНК все одно спрямовуються до місця локалізації білка, який вони кодують (рис. 3). Таким чином, вже в самій молекулі мРНК прописана «адреса доставки» майбутнього білка.

Рис, 3. У мРНК, які кодують мембранний білок, локалізація вздовж клітинної мембрани не порушується навіть при інгібуванні трансляції. Різні способи зупинки білкового синтезу у мРНК гена bglF, що кодує одну з мембранних пермеаз, не змінюють локалізацію мРНК всередині клітини. Ілюстрація з обговорюваної статті в Science

Але як же бути, якщо мРНК поліцистронна, тобто кодує відразу кілька білків, які мають різні «адреси доставки»? У бактерій така ситуація зустрічається дуже часто, коли кілька генів (які, припустимо, кодують ферменти одного метаболічного шляху) організовані в оперон і мають один промотор, з якого зчитується одна велика мРНК. Виявилося, що у такої мРНК достатньо однієї відкритої рамки зчитування для трансляції мембранного білка, щоб молекула перемістилася до плазматичної мембрани. Тобто ділянка мРНК, яка кодує мембранний білок, є визначальною для вибору місця локалізації всієї молекули. Таке відбувається, навіть якщо всі інші білки, кодовані цією мРНК, цитоплазматичні. Якщо ж розділити таку велику молекулу мРНК на окремі ділянки (цистрони), які кодують окремі білки, то розподіл у клітині окремих мРНК відбувається залежно від локалізації білків, які вони кодують (рис. 4).

Рис, 4. Локалізація поліцистронної мРНК, яка кодує два білки (мембранний і цитоплазматичний) визначається цистроном, який кодує мембранний білок. Локалізація моноцистронних мРНК у клітці: a — кодує мембранний білок, b — кодує цитоплазматичний білок. Локалізацію поліцистронної мРНК загальною для обох білків однозначно визначає ділянку молекули, яка кодує мембранний білок, незалежно від місця зв’язування з флуоресцентною міткою (зображення c і d). Ілюстрація з обговорюваної статті в Science

Подальший аналіз показав, що у молекул мРНК, як правило, є конкретна область, яка і визначає їх розподіл в клітці. Так, наприклад, мембранні білки складаються з гідрофільних частин, які звернені назовні мембрани, і гідрофобної частини, яка знаходиться всередині мембрани. Відповідно мРНК, яка кодує такі складні білки, теж має кілька ділянок, кожна з яких кодує певну частину білка. Кінцеву локалізацію мРНК мембранних білків визначає якраз ділянку молекули, яка кодує гідрофобну (занурену в мембрану) частину білка.

Рис, 5. Локалізацію мРНК мембранного білка поблизу мембрани визначає ділянку, що кодує гідрофобну частину білкової молекули. Ділянка мРНК, яка кодує гідрофільну ділянку білкової молекули, не визначає потрібну локалізацію всієї молекули мРНК (a). Правильна локалізація визначається тільки ділянкою, що кодує гідрофобну (занурену в мембрану) частину білкової молекули (b). Ілюстрація з обговорюваної статті в Science

Таким чином, мРНК у бактерій можуть не тільки виконувати функцію матриць для білкового синтезу, але і, по суті, грати роль поштового конверта з зазначеним адресатом. Очевидно, це відбувається або за рахунок спрямованої дифузії молекул мРНК в цитоплазмі, або за допомогою активного транспорту за структурами цитоскелета.

Залишається зрозуміти, яким же саме чином «адреса доставки» майбутнього білка записана в молекулі мРНК і наскільки широко поширене це явище у бактерій.

Джерело: Keren Nevo-Dinur, Anat Nussbaum-Shochat, Sigal Ben-Yehuda, Orna Amster-Choder. Translation-independent localization of mRNA in E. coli // Science. 25 February 2011. V. 331. P. 1081–1084.

Див. також:

Kumaran S. Ramamurthi. mRNA Delivers the Goods // Science. 25 February 2011. V. 331. P. 1021-1022 (популярний синопсис до обговорюваної статті в Science).

Максим Нагорних