Трансляция жизни на молекулярном уровне

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2024 года присуждена Виктору Амбросу и Гэри Равкану за открытие микроРНК, молекул, которые играют важную роль в регуляции трансляции генов — того, как из генов получаются белки, материал всего живого. Чтобы понять их открытие, надо понимать механизм самой трансляции — фундаментального механизма молекулярной биологии.

Незадолго до нобелевской недели «Стимулу» удалось поговорить с классиком молекулярной биологии Маратом Юсуповым, ученым, который внес решающий вклад в понимание трансляции и ее молекулярной машины — рибосомы. В этом году он по совокупности достижений был избран действительным членом Французской академии наук, а также выиграл мегагрант конкурса на создание нового центра интегративной структурной биологии в Курчатовском институте.

Марат Юсупов начинал научную карьеру в Институте белка АН СССР в Пущино, сейчас возглавляет лабораторию структурных исследований рибосом в Институте генетики молекулярной и клеточной биологии (г. Страсбург, Франция), работает в Казанском федеральном университете и в Казанском научном центре РАН.

«Стимул» поговорил с ним о главных проблемах молекулярной биологии, о том, как делаются большие открытия, и о том, как они становятся применимы на практике, в том числе в высокотехнологичной медицине.

— В конце 80-х годов прошлого столетия одна из ключевых задач молекулярной биологии состояла в том, чтобы узнать структуру рибосомы. Почему рибосома и почему это так важно?

— Центральная догма молекулярной биологии, сформулированная Фрэнсисом Криком в 1958 году, гласит, что есть три главных механизма жизнедеятельности всего живого — репликация, транскрипция и трансляция.

Первую проблему решили еще отцы-основатели этой науки Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, поняв, как генетическая информация хранится в ДНК и удваивается, реплицируется. Второй механизм — это перевод генетической информации из ДНК в форму информационных, или матричных, РНК (мРНК). Это транскрипция. За начало понимания этого процесса и химический синтез короткой РНК в пробирке была вручена Нобелевская премия еще в 1959 году. Но жизнь-то существует в основном в виде белковых тел. А это значит, что генетическая информация, записанная в четырехбуквенном коде мРНК, должна быть трансформирована в ее белковое проявление, где уже совершенно другой код — из двадцати «букв», двадцати разных аминокислот, из которых состоят белки. То есть информация, записанная в виде нуклеотидной последовательности, должна быть переведена в структуру белка.

Этот третий фундаментальный процесс и называется трансляцией. И это делает сложная молекулярная машина — рибосома. (Малые РНК, открытые Нобелевскими лауреатами этого года, — это тонкая настройка трансляции, они как раз не пускают матричные РНК, несущие текст гена, к рибосоме, регулируя точное количество получающихся белков. — «Стимул».)

Рибосома содержит в себе и РНК, и белки, а общий ее молекулярный вес достигает трех или четырех миллионов дальтон (дальтон — атомная единица массы, равная одной двенадцатой массы атома углерода. — «Стимул») в зависимости от того, о какой клетке идет речь — о бактериальной или эукариотической рибосоме. В конце 1980-х годов все научное сообществе билось над задачей понимания процесса трансляции, что, в свою очередь, упиралось в необходимость решить структуру рибосомы, увидеть ее в трехмерном пространстве. Единственный метод, который существовал в то время, который мог бы разрешить эту задачу на молекулярном уровне, — это рентгеноструктурный анализ. Но сложность рентгеноструктурного анализа в том, что надо исходный продукт получить в кристаллической форме. Более того, это должны быть хорошо упорядоченные кристаллы, пригодные для рентгеноструктурного анализа.

И вот эту задачу мы решили первыми — задачу получения кристаллов полной рибосомы, которые были пригодны для рентгеновского анализа и, кроме того, давали идеальную дифракцию. А потом мы уже научились делать и функциональные портреты рибосомы, ее портреты в работе, насыщать ее другими молекулами, такими как матричная РНК, транспортная РНК, и другими трансляционными факторами, чтобы понять, как она работает, какие там находятся исходные компоненты, в каком виде. В результате получилось вообразить механизм ее работы, создать этот «мультфильм» о том, как происходит считывание генетической информации и трансформация ее в растущую полипептидную цепь, в растущий белок.

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2024 года присуждена Виктору Амбросу и Гэри Равкану за открытие микроРНК, молекул, которые играют важную роль в регуляции трансляции генов — того, как из генов получаются белки, материал всего живого

nobelprize.org

— А в чем проблема кристаллизации таких больших структур, как рибосомы?

— В 1970‒1980-е годы методами рентгеноструктурного анализа уже научились решать структуры небольших белков и фрагментов РНК. Например, структура транспортной РНК была решена. Но это 30 тысяч дальтон. А здесь мы имеем три миллиона. В сто раз больше!

Никто не верил, что можно сделать кристалл, пригодный для рентгеноструктурного анализа, из таких больших структур. И тут на арене истории науки появилась Ада Йонат. Она работала в Западном Берлине и первая кристаллизовала еще не всю рибосому, но большую рибосомную субъединицу (рибосома состоит из двух частиц — большой и малой. — «Стимул»)

Функционировать может только та рибосома, которая содержит обе частицы. У Ады Йонат была еще не вся картина, но она показала, что кристаллы настолько огромных частиц возможны и что проходящий через них рентгеновский свет дает эффект дифракции, а это значит, что благодаря этим кристаллам возможно определение структуры частицы методом рентгеновской спектроскопии. (Дифракция — явление «огибания» волнами препятствий. По дифракционной картине, которую дает рентгеновский свет, проходящий через очень качественный кристалл, можно с помощью компьютерных методов определить структуру этого кристалла. — «Стимул»). В итоге в 2009 году она получила Нобелевскую премию именно за то, что впервые показала: эта задача решаема методом рентгеноструктурного анализа. В решении самой задачи принимали участие другие люди, но основу заложила именно она.

Когда у Ады Йонат получились первые кристаллы, у нас в Институте белка Александр Сергеевич Спирин тоже решил посоревноваться в этой области. И дал мне этот фронт работ. Мы решили, что раз большую рибосомную субчастицу уже закристаллизовали, то мы не будем этим заниматься. Мы стали заниматься малой частицей и полной рибосомой. Мы достигли успеха и в том и в другом направлении. Авторы этого успеха — выпускники спиринской лаборатории Султан Агаваров, Володя Широков, я. И еще в работе принимала участие моя супруга Гульнара Юсупова, выпускница кафедры молекулярной биологии Спирина в МГУ. Мы вчетвером сотрудничали с коллегами из Института кристаллографии. И они-то, собственно, нас и учили первым азам кристаллизации. У них был опыт кристаллизации белков, а у нас был опыт работы с рибосомой. Мы соединили наши компетенции и первыми в мире решили рибосому.

— Как получилось, что вас обошла Нобелевская премия по итогам рибосомной гонки, вы же первыми решили структуру целой рибосомы?

— Нобелевская премия — это не только наука, но и большая политическая работа, лоббизм крупных институтов и университетов. Лауреатами премии по химии 2009 года стали Ада Йонат, которая представляла два известнейших института — Макса Планка в Германии и Вейцмана в Израиле, Томас Стейц, представлявший Йельский университет, и Венкатраман Рамакришнан из Кембриджа, авторитетнейшего университета. Эти ученые заслужили Нобелевку, другое дело, что есть еще ряд ученых, столь же достойных премии за решение рибосомы. После того как мы в 2011 году опубликовали структуру еще и эукариотической рибосомы, та же комиссия Королевской шведской академии наук, что определяет лауреатов Нобелевской премии по химии, присудила мне, Гульнаре и Гарри Ноллеру вторую по важности в нашей области премию — Премию Грегори Аминоффа. Наши достижения научное сообщество заметило и оценило, и не так важно, что в нобелевском списке мы оказались вторыми в очереди.

Ада Йонат — израильский учёный-кристаллограф, лауреат Нобелевской премии по химии за 2009 год (совместно с Венкатраманом Рамакришнаном и Томасом Стейцем) «за исследования структуры и функций рибосомы»

Wikipedia

— Понять структуру рибосомы еще не означает понять то, как она работает. Механизм трансляции тоже вы описали?

— Я себя отношу больше к людям, которые решают структуры. Мы стараемся загнать рибосому в замерзшее состояние, причем рибосомы должны замерзнуть таким образом, чтобы оказаться в одном положении в кристалле. А в жизни они же работают — двигаются.

Но есть у нас в группе ученые, которые специализируются именно на функционировании рибосомы. Дама, которая уже дважды заходила сюда, кофе наливала, — это моя супруга Гульнара Юсупова. Она, как я уже упоминал, бывшая студентка, а позже и сотрудница Александра Сергеевича Спирина и Надежды Васильевны Белицыной. Гуля уже в диссертации раскрыла одну из принципиальных вещей для понимания работы рибосомы. Для того чтобы из гена, записанного в мРНК, был сделан белок, нужны собственно мРНК, транспортные РНК (тРНК), которые подносят аминокислоты (из которых состоят белки), соответствующие кодону — слову гена. Так вот, в той работе Гули оказалось, что для синтеза пептида мРНК и не обязательны. Без генетической матрицы белок получается случайного состава, но получается. То есть мы до решения структуры понимали, что рибосоме не нужна мРНК для того, чтобы сделать белок как таковой, она нужна только как носитель кода.

Когда мы решили рибосому со всеми компонентами, мы еще точно не знали, где в ней должна находиться мРНК, разрешение не позволяло. Но использовав наработки Гули, Белицыной и Спирина, мы смогли сделать рибосому со всеми компонентами, но без матрицы и потом простым вычитанием поняли, где находится мРНК. Похожим образом мы увидели, куда в рибосоме садится тРНК, увидели три «сайта» — места связывания тРНК, хотя теоретически было бы достаточно двух. Александр Сергеевич Спирин, например, до нашей работы не верил в существование третьего сайта для тРНК.

Так постепенно мы подходили к исследованию функции, несколько наших с Гулей работ посвящены реконструкции молекулярно-биологического «мультика» — того, как это работает. Кстати, Венки Рамакришнан ошибался в описании механизма работы рибосомы, и нам понадобились годы для того, чтобы всех переубедить: поскольку он был уже нобелевским лауреатом, все поначалу приняли именно его механизм. Был даже конфликт с разборкой на международной конференции, но в итоге все хорошо, мы дружим.

— Ко времени решения структуры рибосомы вы уже многое умели делать с ней?

— Институт белка в Пущино в значительной мере занимался именно рибосомой. Для того чтобы начать кристаллизовать рибосому, нужно было уже уметь так работать в лаборатории с макромолекулярными комплексами, чтобы они продолжали работать в пробирке, вне клетки, чтобы были интактными, целыми. Это технологически непросто.

Только в лаборатории, где уже существовала высокая биохимическая культура работы с рибосомами, могут получиться кристаллы. Ада Йонат базировалась в одном из самых продвинутых институтов Европы — Институте Макса Планка в Западном Берлине. И мы в Институте белка, прежде всего в лаборатории Спирина, тоже научились манипулировать этим материалом. Это заняло годы, я диссертацию делал семь лет. Впоследствии я был в разных странах, видел разные лаборатории и пришел к выводу, что объективно решение проблемы рибосомы могло произойти либо в «Белке», либо в Институте Макса Планка. В других лабораториях я ни разу не видел, чтобы люди умели так работать с рибосомой. Это довольно трудно объяснить — это опыт, который нужно иметь на кончиках пальцев. Это подобно тому, как хирург умеет делать сложную операцию, а никто больше в клинике не может, хотя все протоколы опубликованы.

Александр Сергеевич Спирин — выдающийся ученый в области молекулярной биологии, один из ее основателей в мире, крупный организатор науки, лауреат многих престижных премий, его заслуги перед отечественной и мировой наукой отмечены многими государственными наградами, а также избранием в члены национальных академий, научных обществ и университетов

fbras.ru

— Сколько времени прошло от постановки задачи до понимания структуры полной рибосомы?

— Я окончил аспирантуру в 1983 году и тогда же приступил к решению этой задачи, а само решение структуры было получено в 1999 году.

— Ничего себе! Это существенная часть научной жизни.

— Такой путь могли проделать только в системе типа советской или немецкой. В Соединенных Штатах трудно представить ситуацию, когда ученый так долго работает без видимых результатов и все еще получает на это ресурсы. В системе финансирования науки, которая сейчас получила всемирное распространение, включая Россию, исследователям дают деньги исключительно за выполнение этапов заявленного проекта, причем довольно короткого. Рибосомный проект у нас занял пятнадцать лет, во многих других лабораториях, где в те годы были решены сложные кристаллографические задачи, понадобилось не менее десяти лет на каждый проект. И это были советские или европейские научные структуры, пирамидально устроенные, но способные финансировать то, что не даст быстрого результата.

Манхэттенский проект, проект создания атомной бомбы, — это первый случай в истории науки Соединенных Штатов, когда они вложились в один мегапроект все страной и всей наукой. Второй раз — космос, но для консолидации всех ресурсов понадобился запуск в СССР первого спутника…

— Так называемый Sputnik crisis, спутниковый кризис…

— Они прекратили конкуренцию групп в космической программы, все ресурсы бросили на программу «Аполлон», а заодно реформировали всю систему образования и много чего еще. То есть в некоторых редчайших случаях и в США отказываются от системы конкуренции разных групп и проектов, которую они считают правильной. На последнем этапе решения проблемы рибосомы, когда нужно было на основе полученных кристаллов окончательно понять ее структуру, американская технология оказалась быстрее. У нас, правда, на это наложилась перестройка и реформы, которые развалили наш проект. И когда я и Гуля Юсупова приехали в Соединенные Штаты, структура была решена нами за два года. И одновременно другая американская лаборатория взяла опубликованные данные Ады Йонат и решила структуру большой рибосомной субчастицы. Американская система успевает схватить все самое ценное и технологическое благодаря своему динамизму.

— Она более гибкая, чем европейские пирамидальные и административные?

— Более гибкая, совершенно верно. В Америке мы в сотрудничестве с выдающимся рибосомщиком Гарри Ноллером из Калифорнийского университета решили структуру прокариотической рибосомы. А уже переехав сюда, во Францию, я и Гуля Юсупова первыми решили рибосому эукариот, высших организмов (работа 2011 года). Мы сделали структуру рибосомы, взятой из дрожжей. Дрожжи — это очень простые, но уже эукариоты. Они проще растений и животных, но фундаментальные клеточные процессы там идут так же, как у нас, поэтому их часто используют в лабораторных условиях как модель. И это был наш второй прорыв: сначала мы решили структуру бактериальной рибосомы, а потом эукариотической рибосомы.

— И что на практике позволяют сделать полученные вами знания о том, как работает рибосома?

— Мы последние десять лет пытаемся выйти на разные прикладные задачки. Первая — это антибиотики. Более 50 процентов известных нам антибиотиков работают против белоксинтезирующего аппарата бактериальной клетки. То есть против рибосомы и ее вспомогательных элементов. Теоретически знание механизма работы бактериальной рибосомы могло бы позволить создавать принципиально новые антибиотики. Но пока прорыва не произошло. Все фармацевтические компании продолжают работать и модифицировать уже известные антибиотики. Мы можем улучшать их качество, визуализировать механизмы их действия, помогать объяснять то, что эти компании делали и без нас. Но для накопления знаний это очень важно: в области антибиотиков произошло соединение практических знаний и фундаментального понимания.

Доктор Гульнара Юсупова , директор по исследованиям CNRS в IGBMC (Институт генетики, молекулярной и клеточной биологии) в Страсбурге, была удостоена звания кавалера Почетного легиона

agence-ami.fr

Когда мы сделали эукариотическую рибосому, мы стали смотреть, какие вещества являются ингибиторами трансляции именно эукариотов. Если вещество мешает трансляции у бактерий — это потенциальный антибиотик, а если у эукариотов — это потенциально антираковое средство. (Остановить трансляцию — значит убить клетку, яд для болезнетворной бактерии — это лекарство для человека, яд для человеческой клетки может быть использован против злокачественных клеток — раковых. — «Стимул»). Мы нашли штук пятнадцать ингибиторов трансляции эукариотов, показали, как они работают, предложили механизмы их действия. И тогда мы стали получать письма от ученых из разных точек мира, которые просили нас посмотреть, как работает их антираковое вещество. У нас вышло штук пять работ с разными соавторами, которые занимаются разработкой противораковых лекарств.

Еще одно практическое применение — генетические болезни. Тринадцать процентов генетических болезней человека — это следствие так называемых нонсенс-мутаций. Это такие мутации, которые вместо буквы кода ставят внутрь гена точку — стоп-кодон. Такие мутации самые опасные: замена буквы может быть незначительной ошибкой, не повлияет значительно на работу закодированного этим геном белка, а стоп-кодон внутри гена означает, что ген просто не будет работать.

Например, мышечная дистрофия Дюшенна основана именно на такой мутации. Это страшная болезнь, хорошего лечения которой нет, смерть наступает на втором или третьем десятке лет жизни. Радикальным лечением было бы изменение гена в клетках организма, что сделать непросто. Но ученые придумали, что можно было бы не менять ген, а менять то, как он читается в рибосоме. Есть малые молекулы, которые действуют на рибосому таким образом, что она начинает допускать ошибки при считывании. И раз она допускает ошибки при считывании, значит, есть такие ошибки, когда она не считывает стоп-кодон и может дочитать правильно поломанный ген. В результате человек выживает. Эта технология сейчас быстро развивается. Есть много стартапов, которые, базируясь на понимании трансляции, на знании структуры рибосомы, пытаются создать такие молекулы, которые будут все более технично обманывать рибосому, чтобы она могла прочитывать сломанные гены до конца.

— Очень остроумная технология!

— Мы тоже немножко работаем в этой области, и я и Гуля Юсупова даже создали свой стартап. Но у нас есть конкуренты, которые работают на основе полученных нами знаний, но продвинулись гораздо дальше. Например, наш бывший соотечественник Тимур Басов, сейчас работающий в Израиле, в Университете Хайфы.

— А как часто в науке возникают задачи, которые требуют суперпроектов, таких как рибосомный или атомный проект? Есть ли сейчас в биологии такие большие задачи?

— Это хороший вопрос, но я не могу охватить всю биологию. Я хорошо знаю кухню науки о трансляции, и в ней я пока не вижу глобальных задач. Они еще не появились. Много фундаментального уже сделано. Есть еще вопросы в деталях механизма трансляции, но принципиальных преград нет, мы со временем будем на атомарном уровне, до мельчайших деталей понимать, как устроен процесс перекодирования генов в белки. В основном научные группы сейчас пытаются применить на практике наработанные знания, например в медицине, в сельском хозяйстве.