Выяснилось, что контроль качества новосинтезированной мРНК у одноклеточных и многоклеточных эукариот осуществляется одинаково.
В наших клетках ежемгновенно синтезируется множество белков, и было бы странно, если б качество производимой продукции не контролировалось, ведь неправильно произведённый белок может испортить жизнь и клетке, и всему организму. Одна из систем контроля срабатывает на уровне матричных РНК — то есть даже до того, как дело дойдёт до самóй белковой молекулы.
Сначала на ДНК синтезируется матричная РНК (мРНК), с которой уже потом работают синтезирующие белок рибосомы. Но в ДНК может быть мутационная ошибка, которая может скопироваться в РНК, а кроме того, машины, синтезирующие РНК, сами допускают ошибки и подставляют не те нуклеотиды. Чтобы эта РНК не попала к рибосомам, в клетке есть специальные системы, которые разрушают неправильную РНК. (Эта разновидность деградации РНК называется nonsense-mediated mRNA decay, или NMD.) Именно благодаря этой системе большая часть мутаций не выходит за пределы нуклеиновых кислот, не превращается в дефекты белковых молекул.
Электронная микрофотография мРНК и рибосом на ней, которые удерживают фрагменты синтезирующихся белковых цепей.
Учёные давно знали, что в NMD принимают участие множество белковых машин, но как они организуются, как обнаруживают дефектную мРНК, становится более-менее понятно только сейчас. Дефекты в мРНК вызывают так называемый сдвиг рамки считывания: проще говоря, если на нормальной РНК рибосома будет читать генетический код с нуклеотида номер 1, то при мутации чтение начнётся с нуклеотида номер 2 или номер 3. При таком сдвиге кода в мРНК появляются неправильные, преждевременные стоп-кодоны — комбинации трёх нуклеотидов, которые означают остановку белкового синтеза. То есть рибосома не так начинает читать код и при этом не вовремя останавливается.
Чтобы этого не произошло, белок UPF1 из комплекса NMD связывается со всеми мРНК, хоть с правильными, хоть с неправильными. На нормальной РНК рибосомы (которые вскоре пойдут по ней) просто сбросят UPF1 с нуклеиновой кислоты. Если же в РНК есть неправильный стоп-кодон, то UPF1 включит ферменты, и те расщепят дефектную молекулу.
С NMD долгое время была связана загадка, которую учёные не могли разгадать. У одноклеточных эукариот, таких как дрожжи, у неправильной РНК велика вероятность гибели от NMD: если даже рибосомы один раз прошли по этой РНК и синтезировали неправильный белок, то потом её всё равно расщепят ферменты NMD. А вот у многоклеточных эукариот эта система контроля якобы срабатывает только один раз — при первом проходе рибосом по свежесинтезированной мРНК. Это должно вести к тому, что мРНК, которой повезло уйти от NMD-системы, наводнит клетку неправильными молекулами белка. Считалось, что это случается из-за того, что белки NMD у многоклеточных связаны с другими белками, которые сидят в начале новорождённой молекулы РНК и уходят с началом биосинтеза белка. А раз нет этих особых белков, то и NMD такую РНК не видит.
Однако об этой загадке теперь можно говорить в прошедшем времени — исследователям из Университета Берна (Швейцария) удалось даже не разгадать её, а попросту опровергнуть.
В работе, результаты которой опубликованы в Nature Structural & Molecular Biology, биологам удалось показать, что в клетках человека «старая» неправильная мРНК распознаётся системой NMD столь же эффективно, как и «молодая». Оказалось, что белки NMD всё равно остаются с молекулой мРНК, даже после начала биосинтеза, — только теперь они держатся за другие белки, которые тоже связаны началом молекулы. Эти белки в начале мРНК нужны для того, что указать рибосомам, где нужно приземлиться, чтобы правильно начать синтез белка. Однако, кроме рибосом, эти же белки служат сигналом для молекулярных контролёров, которые проверяют, стóит ли затевать на этой мРНК синтез белка.
С теоретической точки зрения это значит, что система защиты биосинтеза белка от дефектов мРНК представляет собой довольно древний механизм, основы которого возникли ещё до разделения эукариот на одноклеточных и многоклеточных. С практической же точки зрения из этого следует, что молекулярные дефекты, могущие возникать в результате неправильной работы NMD-системы и способные угрожать жизни всего организма, можно с успехом изучать на простых организмах и при этом не бояться, что полученные данные не будут иметь никакого отношения к человеку.