Гарри Ноллер не похож на большинство других биохимиков. Слова «крутой» и «биохимик» редко встречаются в одном предложении, но Гарри действительно крутой. Он одновременно профессор Калифорнийского университета в Санта-Крузе и джазовый музыкант, игравший на саксофоне с Четом Бейкером. В свободное время он занимается модернизацией винтажных Ferrari. А еще он прирожденный полиглот. Я бывал вместе с ним на зарубежных конференциях, и, где бы мы ни оказывались, он, сев за столик в кафе, всегда, кажется, мог сделать заказ на местном языке.
Калифорнийский университет в Санта-Крузе расположен в изумительном месте, среди высоченных секвой на северном берегу залива Монтерей. Когда в 1968 г. Гарри организовал здесь свою исследовательскую лабораторию, его целью было понять, как работает рибосома. Эта мощная молекулярная машина, производящая все белки во всех живых организмах, – настоящее чудо природы. Подобно паровозу, идущему по железнодорожным путям, рибосома движется вдоль матричной РНК. Она останавливается на мгновение у каждого триплетного кодона, ожидает, пока к нему присоединится подходящая транспортная РНК, и добавляет соответствующую аминокислоту к растущей белковой цепи. Рибосома потрясающе универсальна: дайте ей тысячу разных мРНК, и она образует тысячу соответствующих белков.
Когда Гарри начал свои исследования, все еще думали, что белки – единственные вещества в природе, способные катализировать биологические реакции; поэтому Гарри поставил себе задачу выяснить, какие именно белки в рибосоме выполняют эту нелегкую работу по синтезу белка[132]. Предположительно, один рибосомный белок мог связываться с мРНК, один или два могли связываться с тРНК и один мог катализировать перенос пептидной группы (транспептидазная реакция – так ученые назвали химический процесс, при котором две аминокислоты соединялись вместе).
Не имело значения, что рибосома по массе лишь на треть состоит из белка, а на две трети – из рибосомной РНК. В рибосомах у бактерий, в том числе у E. Coli – кишечной палочки, с которой работал Гарри, таких РНК было три. Ученые предполагали, что эти РНК служат своеобразными строительными лесами, помогая организовываться белкам, выполняющим ключевые функции[133]. Иначе говоря, белок был королем, а рибосомные РНК всего лишь невежественными простолюдинами, прислуживающими королю.
Однако с планом «Найти белки, выполняющие ключевые функции» что-то пошло не так. Гарри создал систему, позволявшую собирать рибосомы из составных частей – РНК и белков – и проверять, будут ли эти искусственно созданные рибосомы синтезировать белок. Таким образом, он мог убирать по одному белку, чтобы определить, какие из них необходимы. Примерно как при выпечке хлеба можно убирать по одному ингредиенту, чтобы понять, какие из них действительно необходимы. В случае с рибосомой Гарри по очереди изымал по одному белку, и практически ничего не происходило: рибосома продолжала работать. Это вызывало разочарование и озадачивало. Где же были эти белки-ферменты, выполняющие ключевые функции?
В 1972 г. студент Джонатан Чейрз работал в лаборатории Гарри над дипломом, и Гарри предложил ему принципиально новый подход. Было известно, что вещество кетоксал особым образом взаимодействует с гуаниновыми основаниями в РНК, добавляя к ним несколько атомов и не влияя при этом на окружающие белки. Возня с рибосомными белками никуда не привела. Может быть, нужно оставить их в покое и попробовать «поиграть» с РНК?
Они использовали такую же систему синтеза белка, которую применил Маршалл Ниренберг при расшифровке генетического кода: берем рибосомы кишечной палочки (обработанные кетоксалом или не обработанные), добавляем искусственно полученную цепочку поли-У в качестве мРНК и наблюдаем за синтезом полифенилаланина – цепочки из аминокислот. Когда Гарри с Джонатаном впервые обработали рибосомы кетоксалом, оказалось, что он полностью останавливает синтез белка[134]. Более того, из сотен Г в каждой рибосомной РНК с кетоксалом прореагировали только 10, но этого оказалось достаточно, чтобы пустить под откос весь «состав», то есть обрушить синтез белка[135]. Рибосоме очень не понравилось вмешательство в ее РНК.
Результаты эксперимента означали, что ключевые функции связывания тРНК выполняются рибосомной РНК, а совсем не рибосомными белками[136]. Гарри почувствовал себя так, как если бы его Ferrari только что сорвалась с автотрассы, идущей вдоль побережья Калифорнии, и упала в Тихий океан. В какую сторону теперь двигаться?
Чтобы разгадать тайну рибосомы, Гарри пришлось стать специалистом по РНК. Так часто случается в науке: ученый работает над одной гипотезой, а результаты внезапно показывают, что истина может скрываться совершенно в другом направлении. В очень похожей ситуации оказался и я спустя десяток лет, когда моя лаборатория занималась поиском неуловимого белкового фермента, который должен был прятаться где-то в реакциях сплайсинга, а в итоге мы поняли, что РНК сама управляет собственным сплайсингом. Никогда не бывает абсолютно ясно, куда сворачивать на таких развилках, и многие исследователи настолько погружены в свою специальную область, что не хотят совершить шаг в сторону. Как говорится в известном афоризме (обычно приписываемом Черчиллю), «люди иногда спотыкаются об истину, но большинство из них поднимаются и спешат прочь как ни в чем не бывало»[137].
Тем не менее не таков был Гарри Ноллер. Он знал, что для понимания функции рибосомной РНК надо знать ее структуру. Однако в 1972 г. структура РНК была еще практически непостижима. Исключение составлял лишь трилистник тРНК. Гарри понимал, что чем крупнее РНК, тем сложнее будет выяснить ее строение, и это было плохо, потому что две из трех рибосомных РНК у всех видов были огромными. У E. coli в одной рРНК насчитывалось 1542 нуклеотида, а в другой – 2904. Третья была меньше, всего 120 нуклеотидов, но это все равно больше, чем в тРНК.
Озарение снизошло на Гарри в 1975 г., когда он был в творческом отпуске. Получив больше времени для работы в библиотеке, он прочел недавнюю статью Карла Везе, микробиолога из Иллинойсского университета. Спустя несколько лет Карл откроет архей – совершенно новый домен живых организмов, обитающих в серных горячих источниках Йеллоустонского национального парка и в других на первый взгляд непригодных для жизни местах. Уже в 1975 г. Карл со своим сотрудником Джорджем Фоксом установили двухмерную структуру самой мелкой рибосомной РНК, состоящей из 120 нуклеотидов. Они использовали тот же подход, который применялся для расшифровки структуры трилистника тРНК в 1960-х гг. У них были последовательности малой рибосомной РНК из дюжины различных организмов, в основном бактерий, но была и одна лягушка. Форма следует за функцией, поэтому исследователи предположили, что, поскольку все эти РНК, вероятнее всего, выполняют в рибосоме одну и ту же роль, все они будут сворачиваться одинаково, несмотря на различия в последовательности нуклеотидов у разных видов. Среди множества способов, которыми можно было свернуть РНК, соблюдая правило комплементарности А-У и Г-Ц, была только одна форма, в которую можно было свернуть РНК всей дюжины организмов[138]. Гарри осенило: вот путь к расшифровке структуры больших рибосомных РНК, хотя дело может оказаться долгим и трудным[139].
Когда Гарри в том же году созвонился с Карлом Везе, оказалось, что они близкие по духу люди. Оба выделялись на общем фоне. 99 процентов ученых все еще думали, что именно белки в рибосоме выполняют наиболее трудную работу и создают новые цепочки аминокислот на основе информации в мРНК. Гарри и Карл составляли оставшийся 1 процент считавших, что этим занимается рибосомная РНК. «Они не воспринимали нас всерьез, – рассказывал Гарри[140]. – Но зато в течение десяти лет у нас не было конкурентов».
Поскольку Санта-Круз (штат Калифорния) и Урбана (штат Иллинойс) расположены не так уж близко друг к другу и сотрудничество осуществляли в основном по телефону и электронной почте, исследователи обменивались расшифрованными последовательностями коротких фрагментов рибосомной РНК. Эти фрагменты получали, измельчая РНК с помощью фермента рибонуклеазы Т1, который разрезает РНК после каждой буквы Г. Процесс был похож на то, как документ пропускают сквозь шредер. Это было необходимо, поскольку в то время умели секвенировать только короткие фрагменты РНК. Из рРНК длиной 1542 нуклеотида получалось более 100 «слов» – небольших нуклеотидных цепочек. Группы Везе и Ноллера выясняли, из каких букв состояли эти «слова» (например, ЦУЦАГ и УАЦАЦАЦЦГ). После того как были расшифрованы все «слова», входившие в состав рРНК, предстояло соединить их в одно длинное предложение. Это было так же сложно, как восстановить заново пропущенный через шредер документ. Только сделав все это, ученые готовы были объявить о полной расшифровке последовательности РНК из 1542 нуклеотидов[141]. Определив последовательность РНК, они смогли понять, какие части молекулы соединятся друг с другом, чтобы получилась свернутая РНК. Фокс и Везе сделали то же самое для самой малой рибосомной РНК (рРНК), а Франсуа Мишель позднее – для рибозимов.
Полученная в результате двухмерная схема рРНК была опубликована в 1980 г.[142] Она чем-то напоминала схему терминалов международного аэропорта О'Хара в Чикаго: множество выступающих в стороны от центрального помещения залов, часть которых образуют Y-образные ответвления.
Через год была получена двухмерная структура рибосомной РНК из 2904 нуклеотидов[143], с еще бо́льшим количеством «залов» и «терминалов».
РНК большой субъединицы рибосомы свернута в структуру со многими ответвлениями; здесь показана только та часть, которая катализирует транспептидазную реакцию (структура вверху справа). Изображенная на рисунке рибосома содержит две тРНК, присоединившиеся к соседним триплетным кодонам на мРНК. Одна тРНК несет растущую белковую цепь (геометрическими фигурами показаны пять разных аминокислот). В то же время другая тРНК доставила в рибосому следующую аминокислоту (одиночный темный кружок), которая должна присоединиться к белковой цепи. Поскольку трехмерный объект сложно отобразить на двухмерном рисунке, концы двух тРНК, несущие аминокислоты, изображены на удалении друг от друга. На самом деле в рибосоме они оказываются рядом
Полученные две карты Гарри и Карл назвали «базой». Эту информацию используют для планирования исследований и интерпретации результатов эксперимента сотни ученых по всему миру, занимающихся рибосомами. Однако полученных схем оказалось недостаточно. Катализатор работает не в двухмерном пространстве, и невозможно по-настоящему понять, как устроена эта главная молекулярная машина, не видя ее в реальных условиях. И, как обычно бывает, открытие принципов работы рибосомы не только способствовало развитию науки, но и позволило усовершенствовать антибиотики. О том, что это поможет спасать жизни, Гарри и помыслить не мог, когда приступал к разгадке тайны рибосомы.
Гарри Ноллер был почти единственным, кто верил, что секретная действующая сила в рибосоме – это РНК, но явно не единственным, кто хотел в этом разобраться. Биологи всего мира жаждали получить трехмерное изображение молекулярной машины, синтезирующей белки во всех живых организмах. Однако получить четкое изображение оказалось почти так же трудно, как сфотографировать лох-несское чудовище.
Как и в случае с тРНК и рибозимами, дежурным методом был рентгеноструктурный анализ. Ада Йонат начала работы по кристаллизации бактериальных рибосом в 1970-х гг. в израильском Институте Вейцмана в Реховоте. Наряду со многими другими исследователями из разных стран, бравшимися за эту задачу, она столкнулась с чрезвычайными трудностями; неудача следовала за неудачей. Ада могла бы сдаться, но ее обнадеживали сообщения, что рибосомы сами собой образуют кристаллические скопления у впадающих в спячку медведей и итальянских стенных ящериц[144]. Она предположила, что если у живых животных в холодных условиях рибосомы могут формировать упорядоченные кристаллоподобные скопления, то можно заставить их кристаллизоваться и в лаборатории[145].
К 1980 г. Йонат удалось вырастить кристаллы бактериальных рибосом[146], которые давали достаточно хорошую дифракцию рентгеновских лучей. Но для кристаллизации предпочтительны растворы с большой концентрацией соли, а в них бактериальные рибосомы были нестабильны, некоторые белки отделялись, так что получалась смесь неполных рибосомных частиц. Йонат с коллегами пришли к мысли, что у солелюбивых организмов рибосомы могут быть устойчивыми к высоким концентрациям соли. Поскольку неподалеку было Мертвое море, исследователи провели эксперимент с Halobacterium marismortui (дословно – «солевая бактерия Мертвого моря»), и в итоге эти рибосомы привели к победе[147].
При таком прогрессе на разных направлениях, казалось бы, трехмерная структура рибосомы со всеми ее тремя РНК и 55 белками вот-вот будет описана. Тем не менее на это ушло еще 15 лет. Так же было, когда Дженнифер Даудна и сотрудники моей лаборатории пытались разгадать доменную структуру рибозимов у тетрахимены. Оказалось, что получить хорошие кристаллы, дающие дифракцию рентгеновских лучей, – только половина успеха. Вторая половина – это опять решение проблемы тяжелых атомов. Чтобы рассчитать трехмерную структуру РНК, необходимы четкие данные по дифракции рентгеновских лучей молекулой РНК с тяжелыми атомами и без них. И здесь в дело вступили Том Стейц и Венки Рамакришнан.
До сих пор мы говорили о рибосоме как о едином целом. В действительности рибосома не целостная структура, она состоит из двух огромных комплексов, в каждом из которых есть РНК и белки. Эти комплексы – большая и малая субъединицы, они работают вместе, занимаясь синтезом белка у всех живых организмов. Малая субъединица рибосомы содержит вторую по величине из трех рРНК (состоящую из 1 504 нуклеотидов) и 22 белка. Она первая присоединяется к мРНК. Затем на сцену выходит большая субъединица рибосомы, состоящая из двух рРНК (размерами 2904 и 120 нуклеотидов) и 33 белков. В большой субъединице находится каталитический центр, который отвечает за присоединение аминокислот друг за другом для получения их цепи, которую мы называем белком. Эти подробности важны, поскольку следующие два действующих лица нашей драмы занимались разными субъединицами: Том Стейц – большой, а Венки Рамакришнан – малой.
У Тома Стейца к 1995 г. был уникальный опыт в сфере расшифровки структуры основных биологических молекулярных машин. Он определил структуры ДНК-полимераз, которые так реплицируют родительскую двойную спираль, что образуются две дочерние. Он определил структуры РНК-полимераз, которые копируют информацию с ДНК в виде РНК. Он определил структуру обратной транскриптазы ВИЧ, которая копирует информацию с РНК ВИЧ в виде ДНК, после чего эта ДНК встраивается в хромосому человека. И он определил структуру фермента, который присоединяет нужную аминокислоту к молекуле тРНК.
Но сможет ли Том взломать главную молекулярную машину? В 1995 г. он собрал команду из трех постдокторантов[148], готовых ввязаться в эту авантюру. К ним присоединился Питер Мур, давний друг и коллега Тома по Йельскому университету, специалист по рибосомам. В качестве источника рибосомных субъединиц они выбрали бактерию из Мертвого моря, пойдя по пути, проложенному Адой Йонат. Группа Стейца занялась, как уже было сказано, большой субъединицей, которая катализирует соединение аминокислот в белковую цепь. И чтобы понять структуру этой субъединицы, необходимо было решить пугающую проблему тяжелых атомов.
Как бывалый моряк, Том объяснил суть задачи через морские аналогии. Он сравнил измерения с помощью тяжелых атомов в рентгеноструктурном анализе с определением веса капитана методом вычитания веса корабля из суммарного веса корабля с капитаном. Если корабль – это маленькая парусная лодка, все получилось бы вполне корректно. Но если корабль – лайнер «Куин Мэри»? Тогда определить вес капитана путем вычитания веса «Куин Мэри» из суммарного веса судна вместе с капитаном будет затруднительно. А рибосома со своими 250 000 атомами была молекулярным аналогом «Куин Мэри»[149].
Переломный момент наступил, когда группа Стейца обнаружила, что «взвесить капитана» можно, если… использовать чрезвычайно тяжелого капитана. Это был кластер из 18 атомов вольфрама, которые удалось поместить в определенную щель на рибосомной субъединице. Вольфрамовые нити обычно применяют в традиционных лампах накаливания, но и тут вольфрам помог пролить свет на структуру субъединицы. В течение следующих лет в лаборатории Стейца появлялись все более качественные фотографии большой субъединицы, и в 2000 г. было получено совершенно четкое изображение[150].
Каково это – описать трехмерную структуру биомолекулярной машины? Представьте себе, что существует хрустальный дворец, который долгое время был покрыт огромным покрывалом. Сотни исследователей использовали непрямые методы, чтобы выяснить, что там внутри, – наверняка должны быть кухня, столовая, множество спален и ванных комнат. Но никто не знает, как именно эти комнаты расположены. Какова планировка и как поэтажный план соответствует функциям дворца? А затем в одно мгновение структура разгадана. Огромное покрывало срывают, и теперь сквозь прозрачные стены можно разглядеть то, что находится внутри, и даже пройтись по всем комнатам. Вот каково это – разгадать атомную структуру с помощью рентгеноструктурного анализа! Вы внезапно видите в деталях все то, что ученые исследовали, выясняли, о чем строили предположения на протяжении многих лет в лабораториях по всему миру, вы понимаете, какие идеи были верны, а какие ошибочны.
Для группы Стейца прозрение наступило, когда они взглянули на каталитический центр большой рибосомной субъединицы и увидели, что он состоит исключительно из РНК. Поблизости не было никаких белков.
Все, что Гарри Ноллер и Карл Везе предполагали насчет ведущей роли РНК, основываясь на своих кропотливых экспериментах и чуткой интуиции, подтвердилось. По сути, рибосома – это рибозим, РНК-структура со свойствами катализатора[151]. Конечно, РНК связана с целым рядом белков, так же как РНКаза Р взаимодействует с белком, который помогает ферменту хорошо функционировать в условиях клетки. Но сердце рибосомы – это чистая РНК.
Однако пока наша история рассказана лишь наполовину. Да, расшифровка структуры большой субъединицы рибосомы, сделанная с атомной точностью, показала, что именно рибозим, а не белковый фермент катализирует соединение аминокислот в белковую цепочку. Но как обеспечивается считывание кода с мРНК и подбор соответствующих тРНК, посредников, определяющих, какие именно аминокислоты будут соединены? Секреты расшифровки матрицы хранились в малой субъединице рибосомы.
Венки Рамакришнан вырос в Индии, защитил диссертацию по физике в Университете Огайо, а затем стал постдокторантом в Йельском университете, где и увлекся рибосомами. В 1995 г. Венки перешел в Университет Юты и занялся изучением структуры малой субъединицы рибосомы. Вместе со своим аспирантом Билом Клемонсом он усовершенствовал методы выращивания хороших кристаллов из рибосомных субъединиц, а затем столкнулся лицом к лицу с пугающей проблемой тяжелых атомов. Они перепробовали все тяжелые атомы, которые смогли добыть, и, так же как в случае с большой субъединицей в лаборатории Стейца, именно кластеры атомов вольфрама помогли пролить свет на искомую структуру. В 1999 г. Венки перебрался в Англию, в знаменитую лабораторию молекулярной биологии в Кембридже, и примерно через год его группа завершила работу, начатую в Юте. Они расшифровали структуру малой субъединицы рибосомы[152]. Вгляделись в свой собственный хрустальный дворец и рассмотрели его в мельчайших подробностях.
Но кое-чего в структуре малой субъединицы не хватало. Членов семьи, живших во дворце, – мРНК и тРНК – не было дома просто потому, что их не внесли в смесь для кристаллизации. Рибосому изучают, чтобы понять, как происходит синтез белка, но, как мы уже выяснили, рибосома не производит белок сама по себе. Ей необходимы мРНК, чтобы определить, какой белок делать, и тРНК, чтобы доставить соответствующие аминокислоты. Поэтому затруднительно понять, как создаются белки, просто глядя на структуру рибосомы. Нужно увидеть, куда именно входят мРНК и тРНК. Нужно увидеть дом вместе с его обитателями.
Задача визуализировать рибосому вместе со всеми ее обитателями – тРНК и мРНК – выпала Джейми Кейту, который, став постдокторантом, перебрался в лабораторию Гарри Ноллера в Калифорнийском университете в Санта-Крузе. К счастью, он был хорошо подготовлен к такой работе: в Йельском университете он вместе с Дженнифер Даудной занимался определением структуры рибозима. А в 1999 г. Джейми и Гарри удалось впервые в истории получить кристаллическую структуру рибосомы в функциональном состоянии, вместе с тРНК и мРНК[153]. Однако эти кристаллы недостаточно хорошо преломляли рентгеновские лучи, и фотография получилась слегка размытой. Как будто исследователи смотрели на свой хрустальный дворец через запотевшие очки.
Тем не менее два изображения – одно немного расплывчатое изображение целой рибосомы со всей ее компанией, полученное Джейми и Гарри, и второе очень четкое изображение свободной малой субъединицы от Венки – великолепно дополнили друг друга[154]. Наложив расположение мРНК и тРНК на изображение структуры в хорошем разрешении, можно было увидеть, как основания рибосомной РНК помогают считывать кодоны на мРНК. Одни основания рРНК удерживали тРНК на месте, пока другие регулировали положение мРНК, чтобы информация была прочитана.
Все вращалось вокруг РНК. Функциональные участки, удерживающие тРНК и мРНК, почти полностью состояли из РНК. Важнейший участок, соединяющий малую рибосомную субъединицу с большой? Опять преимущественно РНК. Помогал только один из 22 белков малой субъединицы. Все остальные процессы однозначно были организованы РНК.
За сорок лет наука прошла путь от расшифровки кода мРНК до поразительно детального описания того, как он считывается при синтезе белка. И вновь Ноллер и Везе вышли победителями. На этот раз они, верившие, что синтез белка осуществляется главным образом с помощью РНК, а роль белков второстепенна, больше не были в однопроцентном меньшинстве. Чтобы поверить, надо увидеть. Теперь весь ученый мир был вынужден признать главенство РНК.
Для биохимиков вроде нас с Гарри открытие того факта, что синтезирующая белки рибосома работает почти полностью за счет РНК, оказывается умопомрачительным, но вы можете задать логичный вопрос: а какое до этого дело всем остальным? Есть ли какая-то практическая польза от понимания структуры и функции рибосомной РНК?
Возьмем антибиотики. Изучив структуру рибосомы, мы смогли понять невообразимые раньше вещи, а именно как действуют многие антибиотики, как возникает устойчивость к антибиотикам и как их можно улучшить в будущем.
Эффективный антибиотик должен нарушать жизненно важные процессы у бактерий, не затрагивая при этом сходные процессы у человека. Может показаться, что рибосома – плохая мишень, ведь ее основные характеристики – наличие большой и малой субъединиц, связывание тРНК и мРНК, катализация соединения аминокислот друг с другом – присутствуют у всех живых организмов. Но оказалось, что за миллиарды лет, прошедшие с тех пор, как наши эволюционные пути разделились, человеческие и бактериальные рибосомы достаточно разошлись, чтобы можно было найти лекарства, подавляющие только бактериальные рибосомы. Примечательно, что примерно половина всех используемых антибиотиков нацелена именно на бактериальные рибосомы[155].
В 1960-х гг., когда антибиотики только начали широко использоваться, исследователей очень интересовал механизм их действия. Как раз в то время были открыты рибосомы, мРНК, тРНК, был расшифрован генетический код и медицина сблизилась с молекулярной биологией. Оказалось, что многие распространенные антибиотики, в том числе те, которыми лечат туберкулез, гонорею и даже акне, убивают бактерий, подавляя их способность синтезировать белки. Ученые быстро обнаружили, что эти антибиотики связываются непосредственно с бактериальными рибосомами.
Здесь полезно ощутить масштаб. Типичная молекула антибиотика состоит примерно из 100 атомов, тогда как в бактериальной рибосоме их 250 000. Рибосома в 2500 раз больше лекарства. Подобно палке, вставленной в колесо, маленький препарат может заблокировать большую рибосому, если свяжется с функционально важным участком внутри нее. Если бы вещество присоединялось только к наружной поверхности рибосомы, оно не причинило бы вреда и никогда не смогло бы действовать как антибиотик. Поэтому особенностями присоединения антибиотиков к бактериальной рибосоме интересуются не только фармакологические производственные компании, но и представители фундаментальной науки, выясняющие, как работает рибосома.
Устойчивые к антибиотикам бактерии дали на сей счет одну из первых подсказок. И тогда, и сейчас, как только какой-либо антибиотик начинает широко применяться, находится везучий микроб с мутацией, защищающей его от антибиотика. Пока его соседи гибнут, этот счастливчик размножается и начинает преобладать в популяции. Это кажется неизбежным: как только появляется антибиотик, эффективно убивающий какие-нибудь бактерии, возникает устойчивость к антибиотикам. Каким образом мутация в рибосоме способна вызывать такую невосприимчивость к антибиотику?
Вновь представим себе рибосому в виде паровоза, движущегося по рельсам матричной РНК. Каждый антибиотик действует как палка, вставленная в колесо, но палка строго определенной формы и размера. Одной палкой можно ткнуть в поршень и помешать ему двигаться, другую просунуть в ведущее колесо, так что оно перестанет вращаться. Существует сотня способов, как разными палками блокировать паровоз; так же разные антибиотики могут испортить рибосому. Теперь представьте себе, что один паровоз слегка отличается от других. Его поршни другого размера, а паз у ведущих колес более узкий. Палки, выводящие из строя другие паровозы, не могут повлиять на наш, он неуязвим для них.
Поскольку сопротивляемость антибиотикам встречается часто, ученым не составило труда заполучить разные устойчивые к ним рибосомы. В каждом случае исследователи стремились выяснить, где именно кроется мутация, обеспечившая невосприимчивость к антибиотикам: в рибосомной РНК или в одном из многочисленных рибосомных белков? Начиная с 1970-х гг. ученые секвенировали рибосомную РНК и рибосомные белки из невосприимчивых клеток и находили примеры, подтверждавшие и первый вариант, и второй. Иногда устойчивость к антибиотикам обеспечивалась изменением аминокислотной последовательности в рибосомном белке. Иногда причиной служило изменение последовательности оснований в рибосомной РНК. Именно на эти случаи вначале опирались Гарри Ноллер, Карл Везе и другие исследовавшие РНК коллеги, укрепляя только зарождавшуюся идею, что рибосомная РНК критически важна для работы рибосомы.
Все доказательства этого тезиса были, однако, лишь косвенными. Поэтому примерно в 2000-х гг. получил развитие рентгеноструктурный анализ рибосом, и многие исследователи, в том числе Том Стейц, Венки Рамакришнан и Ада Йонат, ухватились за возможность увидеть воочию, в какой конкретно участок рибосомы попадает антибиотик. В идеале нужно было изучать рибосомы патогенных бактерий, на которых направлены антибиотики. Но такие рибосомы не были кристаллизованы, поэтому антибиотики добавляли к рибосомам родственных бактерий и наблюдали за происходившим, предполагая, что механизм действия будет таким же.
В лаборатории Стейца были получены фотографии семи различных антибиотиков, связывающихся с большой субъединицей рибосомы, и все они соединялись с ее каталитическим центром[156]. Каждый препарат связывался с некоторыми отличиями, но во всех случаях связывание явно мешало концам тРНК соединиться с рибосомой для участия в синтезе белка. Более того, все препараты связывались именно с большой рибосомной РНК, а не с белком. Следовательно, если вы собираетесь выиграть в шахматной партии против рибосомы, лучше атаковать короля – РНК, а не одну из белковых пешек.
Было обнаружено, с каким участком на большой рибосомной субъединице связывался эритромицин, эффективный при лечении таких бактериальных инфекций, как стрептококковый фарингит[157]. Во время синтеза белка рибосома выводит строящийся белок через «выходной туннель». Оказалось, что эритромицин присоединяется таким образом, что блокирует этот «выходной туннель» и тем самым препятствует удлинению растущей белковой цепи. Том Стейц в шутку называл этот механизм подавления «молекулярным запором»[158].
Рибосома использует информацию, содержащуюся в кодонах мРНК, чтобы соединять аминокислоты в белковую цепь. В результате транспептидазной реакции, показанной дуговой стрелкой (вверху), цепочка становится на одну аминокислоту длиннее (внизу справа). Затем происходит транслокация, то есть мРНК сдвигается так, что две тРНК перемещаются в другие участки рибосомы, освобождая место для следующей тРНК (несущей аминокислоту, обозначенную ромбом, – внизу слева). Цикл повторяется с каждой аминокислотой
У малой субъединицы рибосомы есть свои уязвимые места, которыми могут воспользоваться антибиотики. Группа Венки сфотографировала шесть антибиотиков, в том числе стрептомицин и тетрациклин, прилипших к малой рибосомной субъединице[159]. Благодаря фотографии каждого из них появились некоторые идеи, как работает рибосома. Рассмотрим спектиномицин, который используется для лечения гонореи. Один из трюков рибосомы – транслокация, перемещение кодона мРНК со связанной с ним тРНК внутри рибосомы из одного места в другое. Это должно происходить всякий раз, когда кодон считывается, чтобы освободить место для входа следующей тРНК.
Для этого транслокационного шага должна подвинуться «голова» малой субъединицы. Это как кивание: каждый кивок – транслокационный шаг. Спектиномицин – жесткая молекула, этакая маленькая палка, которая встает в узкую бороздку на рибосомной РНК рядом с точкой поворота головы. Она не дает голове кивать, блокируя транслокацию. Не удивительно, что спектиномицин убивает бактерии: если их рибосомы лишаются возможности «кивать», они не могут вырабатывать ни один из необходимых им для жизни белков.
Используя различия в структуре рибосом, специалисты в области биомедицины смогут получить новый мощный инструмент для борьбы с бактериями, устойчивыми к антибиотикам. При разработке лекарственных средств на основе структурной информации ученые исследуют поверхность белка, вызвавшего заболевание, или, как в случае с антибиотиками, – любого важного белка патогенной бактерии. Обнаружив углубление в функционально важной части молекулы-мишени, ученые используют компьютерные программы для анализа возможности устойчивого соединения молекул (докинга), чтобы предсказать форму небольшой молекулы лекарства, которая встанет в это углубление, как палка в колесо. Существенно, что разработка лекарств на основе структурной информации невозможна без подробной модели самой структуры, и для рибосомы эта информация теперь имеется.
За двадцать с лишним лет образ РНК в научном мире радикально изменился. В середине 1960-х гг. РНК считалась посредником, передающим сообщения между ДНК и белками. Была еще рибосомная РНК, которая ничего не кодировала, но выполняла какие-то функции в механизме синтеза белков; изначально считалось, что она служит каркасом для ключевых белков. Были также транспортные РНК, в которых видели важные адаптерные молекулы, соединяющие кодоны мРНК с правильными аминокислотами. Но тогда еще не было понятно, что эти представления лишь предвестники множества будущих открытий важных некодирующих функций РНК. Затем, в 1980-х гг., обнаружилось, что РНК может быть биокатализатором, что мяРНК управляют сплайсингом мРНК и что рибосомные РНК непосредственно отвечают за один из главных жизненных процессов – синтез белка. РНК превратилась из бэк-вокалистки в примадонну.
Из-за всех этих потрясений были переписаны учебники биологии, заболевания человека стали более понятными и лучше излечимыми. Но исследование РНК не просто изменило науку здесь и сейчас. Оно пролило свет и на один из самых старых и фундаментальных вопросов: как зародилась жизнь на нашей планете?