Международным научным коллективом и в том числе учёными НИИ Физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ открыт механизм регуляции синтеза белка, получивший название «молекулярный таймер». Он позволяет контролировать, сколько молекул белка произведёт клетка, и предотвращать образование лишних молекул.

Закодированная в ДНК генетическая информация сперва копируется в молекулы матричной РНК (мРНК), а уже с неё синтезируются соответствующие белки. Каждой аминокислоте белка соответствуют три нуклеотида (один триплет) в мРНК. За синтез белка отвечает рибосома — «молекулярная машина», состоящая из большой и малой субчастиц, каждая из которых состоит из рибосомной РНК и множества белков. Сигналом к окончанию синтеза белка служат три стоп-кодона, в большинстве живых организмов это UGA, UAA и UAG (U — урацил, A — аденин, G — гуанин).

Длина мРНК всегда больше рамки считывания — участка, содержащего генетическую информацию о белке. Участки, не кодирующие информацию о белке, называются нетранслируемыми (некодирующими) областями. У млекопитающих часто бывает, когда размер некодирующих областей намного превышает размер рамки считывания и составляет тысячи нуклеотидов. Поскольку синтез мРНК — энергозатратный процесс, учёных давно интересовал вопрос, зачем существуют такие большие нетранслируемые участки?

Известно, что нетранслируемые участки регулируют жизненный цикл мРНК. В отличие от ДНК, мРНК со временем в клетке уничтожается. Некоторые молекулы мРНК ещё долго «живут» после синтеза, а некоторые распадаются уже через несколько минут. И оказалось, что нетранслируемые области мРНК часто играют в этом решающую роль!

Нетранслируемые участки мРНК исполняют ещё одну важную функцию: они регулируют синтез белка. Известно множество примеров, когда с нетранслируемыми областями мРНК связываются регуляторные белки (или короткие РНК), которые или подавляют, или стимулируют синтез белка. Это позволяет клетке быстро «включать» или «выключать» синтез белков с определённой мРНК. Ведь в зависимости от ситуации и условий клетке необходим строго определённый набор белков! А нарушение регуляции синтеза может привести к их бесконтрольному производству. Например, дерегуляция белков, отвечающих за клеточное деление, создаёт условия для неконтролируемого роста числа клеток — а это одна из главных особенностей онкологических заболеваний.

И вот, изучая регуляцию трансляции мРНК фермента Amd1, ключевого на пути биосинтеза полиаминов (полимеров, содержащих аминогруппы), учёные из Университетского колледжа Корка, Медицинской школы Гарварда, МГУ имени М.В. Ломоносова и Департамента генетики человека Университета Юты обнаружили доселе неизвестный механизм регуляции синтеза белка.

Оказалось, он похож на принцип движения поездов в тоннеле метро. «Давно известно, что рибосома плохо умеет синтезировать последовательности некоторых триплетов, — рассказал старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ Дмитрий Андреев, — поэтому, когда такая последовательность ей попадается, рибосома может прочно застрять на мРНК. Из-за этого все рибосомы, «едущие» вслед за ней, тоже моментально застрянут, поскольку не могут «перепрыгнуть» застрявшего товарища, и продукция белка прекращается. Исследуя регуляцию Amd1, мы обнаружили особый сигнал застревания. Но интересным оказалось, что этот сигнал расположен уже после стоп кодона рамки считывания Amd1. Зачем он там нужен?»

Трансляционный аппарат не должен допускать ни единой ошибки в синтезе белков, поскольку неправильные белки могут навредить клетке. Но его точность имеет границы. Так, рибосома, дошедшая до стоп-кодона, может по ошибке прочитать его как аминокислоту и двинуться дальше, синтезируя более длинный белок. Вероятность такого события не превышает доли процента. Но именно прочтение стоп-кодона оказалось ключевым к пониманию нового механизма регуляции Amd1.

Механизм остановки был уточнён при помощи рибосомного профайлинга. Этот метод основан на массовом определении нуклеотидной (генетической) последовательности фрагментов мРНК, взаимодействующих с рибосомами. Он позволяет исследовать весь белковый синтез в клетке на полногеномном уровне. В дальнейшем этот механизм был изучен посредством классических репортёрных конструкций — объединений исследуемого гена и гена-репортёра, с помощью которого можно определить уровень экспрессии гена в клетке. В данном случае в качестве репортёрных генов использовались люцифераза (фермент, запускающий реакцию,  сопровождающуюся испусканием света) и зелёный флуоресцентный белок (GFP).

Учёные определили, что примерно 1 из 60 рибосом проезжает стоп-кодон Amd1, но через некоторое расстояние она прочно застревает на «плохой» последовательности. При этом  следующая проехавшая стоп-кодон рибосома застревает в очереди за первой. И так происходит до тех пор, пока «очередь» из застрявших рибосом не доберётся до стоп кодона. Как только это произойдет, продукция белка сразу же прекратится.

«Мы назвали такой механизм регуляции синтеза белка «молекулярным таймером», — продолжил Дмитрий Андреев, — ведь в молекуле мРНК, по сути, «зашит» механизм, позволяющий точно контролировать, сколько молекул белка будет синтезировано. Даже если рибосомы начнут усиленно «садиться» на такую мРНК, «молекулярный таймер» позаботится о том, чтобы выключить синтез белка через определённое число циклов».

Белок Amd1 обладает онкогенными свойствами. Его усиленная репродукция в клетке может привести к появлению чрезвычайно агрессивных метастазирующих опухолей. Если научиться «включать» таймер, регулирующий его синтез, например, усиливая прочтение стоп-кодона с помощью лекарственных препаратов, то это может найти применение в медицине. Ведь сегодня  уже существует лекарство, усиливающее прочтение рибосомами стоп-кодонов – оно одобрено в Европе для лечения дистрофии Дюшена.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), результаты опубликованы в журнале Nature.p