До цих пір вважалося, що рибосоми бактерій і еукаріот розпізнають абсолютно різні сигнали ініціації синтезу білка, проте недавно вдалося знайти приклад сигналу, який може дізнаватися і тими, і іншими. Цей універсальний сигнал - ділянку внутрішньої посадки рибосоми (IRES), структурований регуляторний фрагмент 5'-нетрансльовані області мРНК вірусів і еукаріот.
Малюнок 1. Порівняння структур бактеріальної і еукаріотичної рібосом.Сверху показані малі субодиниці рибосом, знизу - великі. Функціональні центри рибосоми: А - аміноацільний, Р - пептидилтрансферазної, Е - сайт виходу. Малюнок з [1].
Індивідуальність кожної клітини забезпечується її набором білків, синтезом яких займаються рибосоми - молекулярні машини, що складаються з РНК і білка. У представників двох доменів живих організмів - бактерій і еукаріот - рибосоми влаштовані на подив подібним чином (рис. 1) і навіть конформацию змінюють в процесі трансляції однаково. Однак вони дізнаються зовсім різні сигнали на молекулах матричної РНК. «Інструкцію» яких вони зчитують в ході синтезу білка.
Рибосоми бактерій дізнаються певну послідовність нуклеотидів РНК, яка називається послідовністю Шайна-Дальгарно. Бактеріальна рибосома зв'язується з нею, так як в складі 16S рРНК є комплементарна послідовність «анти-Шайна-Дальгарно», і приступає до синтезу білка.
Рибосоми еукаріот дізнаються зовсім іншу структуру - кеп (англ. Cap - шапка) - метильований гуанозин. пов'язаний через трифосфатних групу з 5'-кінцем РНК *. Такі структури є тільки у еукаріотичних РНК, і рибосоми бактерій не вміють розпізнавати цей сигнал. Еукаріотичні рибосоми, в свою чергу, зовсім не приваблює бактеріальна послідовність Шайна-Дальгарно. Такі відмінності смаків здаються трохи несподіваними, враховуючи, як схоже влаштовані рибосоми бактерій і еукаріот. Однак вченим все-таки вдалося знайти приклад стартового сигналу, який за смаком і тим, і іншим [1].
* - регуляторну функцію при трансляції виконує не тільки 5', але й 3-кінець мРНК - полі (А) -хвост, та ще й з полі (У) - «прихвоснем»: «мРНКаааауу» [2]. - Ред.
Віруси, як правило, «подорожують без нічого», зберігаючи лише обмежений набір найнеобхідніших генів. Власний апарат синтезу білка вони не кодують, тому почесне завдання виробництва своїх білків віруси делегують клітці, яку заразили. Однак рибосоми еукаріот візьмуться синтезувати білки на основі тільки тих РНК, які мають на своєму кінці кеп. Деякі віруси тому кодують ферменти, які кепіруют їх РНК, щоб клітина приймала їх за свої. Інші віруси доходять навіть до злодійства «шапочок», відрізаючи кеп у клітинних РНК і пришиваючи до своїх. А деякі придумали «відмичку» до рибосом еукаріот, яка навіть не намагається маскуватися під кеп, зате мімікрують під іншого важливого учасника трансляції - молекулу тРНК. Кожна тРНК приносить з собою певну амінокислоту, яку рибосома додає до зростаючого ланцюжка білка. Так ось, вірусна РНК може містити фрагмент, дуже схожий на такий переносник амінокислоти. Цей компактно «покладений» фрагмент, званий IRES, входить в рибосому, після чого вона може почати кеп-незалежний синтез «за інструкцією» РНК, до якої такий фрагмент «прироблений» [3]. IRES, на відміну від кепа, не зобов'язаний перебувати на кінці РНК, щоб еукаріотична рибосома його впізнала. Саме IRES, як з'ясували вчені, здатні впізнавати і бактеріальні рибосоми.
Малюнок 2. Активності двох люціферази. ген однієї з яких (синій колір) вбудований в вектор після «нормального» сайту зв'язування бактеріальної рибосоми (послідовності Шайна-Дальгарно), а інший (жовтий колір) - після IRES еукаріотичного вірусу. а - Послідовність Шайна-Дальгарно інтактна - синтезуються обидві люціферази; b - Бактеріальна послідовність «зламана» - синтез «жовтої» люціферази (від вірусного сигналу) йде в 10 разів активніше, тому що знизилася конкуренція між сигналами за рибосоми. Малюнок з [1].
РНК з міжгенних IRES кишкового вірусу клопа Plautia stali (PSIV) і без будь-яких ознак послідовності Шайна-Дальгарно, як виявилося, може служити інструкцією для синтезу білка у бактерій (рис. 2). При цьому рибосоми представників різних доменів один і той же IRES пов'язували трохи по-різному. Це й не дивно, оскільки з еукаріотичної рибосомою IRES зв'язується через білки, яких просто немає в рибосомі бактеріальної. Структурна цілісність IRES, однак, була необхідна в обох випадках, і порушення структури IRES унеможливлювало його зв'язування з бактеріальними рибосомами.
Вивчення комплексів IRES з рибосомами бактерій і еукаріот показало: комплекси, які формуються у бактерій, дуже нестабільні, на відміну від комплексів з еукариотическими рибосомами. З огляду на, що IRES все-таки працює у бактерій, можна було припустити, що він просто робить це інакше, ніж в клітинах еукаріот. При роботі IRES з еукаріотичної рибосомою синтез білка починається прямо з нього - тобто сам IRES служить початком інструкції по синтезу білка. Старт-кодон (трійка нуклеотидів РНК, зазвичай AUG, з якої починається трансляція) непотрібен в цьому випадку ні в складі IRES, ні після нього. У бактерій, як виявилося, той же IRES діє по-іншому. Він потрібен, мабуть, щоб залучити рибосому, але синтез білка починається не з нього, а з старт-кодону, який обов'язково повинен розташовуватися трохи далі по ходу ланцюга РНК. Відстань не надто важливо, воно може варіювати між 13 і 15 нуклеотидами. Якщо перед старт-кодоном інструкції додати ще один старт-кодон, зрушений щодо його рамки зчитування. ефективність синтезу з робочого старт-кодону впаде, але не дуже сильно. Тобто бактеріальна рибосома, зв'язавшись з IRES, шукає старт-кодон десь поблизу від нього, але все-таки не будь-хто.
Взаємодія бактеріальної рибосоми з вірусним IRES виявилося не таким злагодженим, як еукаріотичної, до якої віруси «притиралися» довгий час. Проте, виявилося, що і бактерії здатні ініціювати синтез білка на особливим чином структурованої РНК. Можна припустити, що такий механізм ініціації трансляції - найдавніший, і його можуть використовувати представники самих різних груп живих організмів.
Моделювання кеп-залежною і IRES-опосередкованої ініціації трансляції.