Ученые визуализировали процесс образования рибосом

Группа ученых из Исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute) впервые в мире визуализировала процесс образования клеточных «фабрик белка» - рибосом. Помимо того, что разработанный группой метод сам по себе является большим техническим достижением, работа может открыть новые направления в разработке антибиотиков и лечении болезней, связанных с ошибками в образовании рибосом. Кроме того, эти методы могут применяться для решения других сложных проблем в биологии клетки.

Выявление и наблюдение за молекулами, образующими рибосомы – клеточные фабрики, производящие необходимые для жизни белки – на протяжении десятилетий было главной, но казавшейся не достижимой, целью биологов. Однако новая работа ученых из Исследовательского института Скриппса, опубликованная в журнале Science, дала возможность визуализировать промежуточные химические стадии процесса их образования, или говоря языком биохимиков, их биогенеза.

«Для меня это было экспериментом моей мечты», – говорит руководитель проекта член Института химической биологии Скэггса (Skaggs Institute for Chemical Biology) и декан факультета постдипломного образования Института Скриппса профессор Джеймс Вильямсон (James Williamson). «Наши замечательные коллеги из Скриппса готовы пойти на некоторые сумасшедшие эксперименты, и когда они работают – это просто великолепно».

Более ранние исследования промежуточных молекул (интермедиатов), которые объединяются для образования рибосом и других клеточных компонентов, были жестко ограничены возможностями методов визуализации. Электронная микроскопия уже давно позволяет получать фотографии молекул такого размера, но это обычно требует их предварительной очистки. Но чтобы что-то очистить, это что-то нужно сначала идентифицировать. В целом это означает, что ученые скорее должны были делать предварительные выводы о том, что это за интермедиаты, чем могли наблюдать за реальным процессом их сборки.

«Моя лаборатория интенсивно работала над изучением процесса сборки рибосом около 15 лет», - говорит Вильямсон. «Основные шаги были намечены около 30 лет назад. Чего никто действительно не понимал, так это того, как все происходит в клетках».

Группа ученых из National Resource for Automated Molecular Microscopy (NRAMM) Института Скриппса под руководством профессоров Клинтона Поттера (Clinton Potter) и Бриджит Каррагер (Bridget Carragher) в сотрудничестве с аспирантами Школы науки и технологий Келлога Института Скриппса (Kellogg School of Science and Technology) Анке Малдер (Anke Mulder) и Крейгом Йошиока (Craig Yoshioka) разработала описанный в статье в Science новый метод, названный Discovery single-particle profiling (DSP), который снимает проблему очистки и позволяет успешно визуализировать неочищенные образцы. Разработанная учеными система автоматического сбора информации и обработки данных дала им возможность расшифровать получающуюся в результате сложную «мешанину» данных, что иначе оказалось бы невозможным.

Для этого проекта научный сотрудник лаборатории Вильямсона Андреа Бэк (Andrea Beck) выделила компоненты рибосом из клеток обычно используемой для исследований бактерии Escherichia Coli. Затем она химически разорвала их на части, создав, таким образом, раствор из мелких компонентов, составляющих рибосомы. Компоненты были смешаны, а затем быстро окрашены и изучены под электронным микроскопом. «Мы начали с «грязных» образцов, которые содержали ужасно сложную смесь самых различных частиц», - комментирует Вильямсон.

Анке Малдер собрала и проанализировала частицы, образовавшиеся во время реакции сборки рибосомы. Чтобы в конечном итоге получить изображение молекул, ученые обработали более миллиона полученных с помощью электронного микроскопа снимков сборки, используя созданный ими вычислительный алгоритм.

Они получили изображения, из которых можно было составить, как из кусочков пазла, части рибосом. Это было убедительным доказательством состоятельности их методики. «Независимо от того, как обрабатывались данные, мы всегда видели одно и то же, и это заставило нас поверить, что все происходит именно так», - говорит Вильямсон.

Дополнительные подтверждения появились, когда исследователи получили изображения компонентов рибосом, соответствующие различным периодам времени реакции сборки. После разрушения компонентов они готовили образцы на разном временном расстоянии от начала процесса, оставляя достаточно времени для того, чтобы молекулярная смесь начала собираться, как это происходит при сборке рибосом в клетках.

Получив серию изображений, соответствующих разным периодам сборки, ученые смогли показать, что по мере протекания реакции концентрации более крупных и сложных молекул увеличиваются, а более мелких снижаются. Эти результаты совпадали с ранее уже доступной, но ограниченной информацией о временном характере процесса образования рибосом, еще раз подтверждая успех группы.

Интересно, что эта работа, наконец, подтверждает существование более чем одного возможного пути образования рибосом. Предыдущие исследования на малой субъединице 30S рибосом Escherichia coli дали возможность предположить, что сборка рибосом скорее происходит несколькими параллельными путями – феномен, известный как «параллельная сборка». Об этом процессе существует очень мало механистической информации, и предположение еще никогда не было однозначно подтверждено.

С информацией, находящейся в настоящее время в их распоряжении, ученые смогут продвинуться далеко вперед в изучении того, какие еще молекулы необходимыми для сборки рибосом и могут присутствовать в клетках. Такие данные могли бы открыть захватывающие медицинские перспективы, считает Вильямсон.

Все бактерии содержат рибосомы и зависят от них. Определение молекул, необходимых для сборки рибосом, могло бы предложить новые мишени для антибиотиков. «Если мы сможем понять, как подавить сборку, это станет очень важным терапевтическим направлением», - говорит Вильямсон.

Существуют данные, свидетельствующие о том, что некоторые болезни, например, анемия Даймонда-Блэкфена (Diamond Blackfan Anemia), могут вызываться, по крайней мере, в некоторых случаях, ошибками в сборке рибосом. Более глубокое понимание того, как происходит их биогенез, может показать пути к исправлению таких ошибок и к профилактике или лечению этих заболеваний.

На более фундаментальном уровне этот успешный проект доказал состоятельность разработанных в Институте Скриппса методов и возможность их использования для визуализации и углубления понимания других сложных и важных клеточных процессов.

Источник: www.lifesciencestoday.ru