Исследователи проследили, как эволюционная перестройка IleRS изменила взаимодействие энзима с тРНК и его ферментативную активность. Выявлены структурные изменения, связанные с отбором для ускорения аминоацилирования у прокариот. Фото: Институт науки Токио, Япония
Бактерии умеют не только тактически гибко приспосабливаться к окружающей среде, но и стратегически совершенствовать внутренние механизмы производства белков вне прямой зависимости от внешних условий. Интернациональная команда ученых обнаружила, что одним из способов такого апгрейда стала эволюционная перестройка фермента, который помогает клеткам правильно подбирать строительные блоки для белковых молекул.
Исследование специалистов из Института науки Токио, Загребского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха опубликовано в журнале Nature Communications.
Речь идет об изолейцил-тРНК-синтетазе (IleRS). Это молекулярный «снабженец», который прикрепляет аминокислоту изолейцин к соответствующей транспортной РНК (тРНК). Последняя доставляет аминокислоту к рибосоме — сборочному цеху клетки, где из таких компонентов производятся белки.
Точность здесь принципиальна: если фермент прикрепит не ту аминокислоту, клетка рискует получить белок с неправильной последовательностью. Поэтому IleRS должен одновременно работать быстро и не ошибаться.
Эволюция выбросила лишнее — и фермент заработал быстрее
Чтобы разобраться в истории IleRS, исследователи сравнили его варианты у бактерий, архей и эукариот, построили эволюционные древа и выделили три группы энзимов: IleRS1, IleRS2 и ранее неизвестную группу архейных ферментов IleRS-A.
Особое внимание ученые уделили С-концевой части фермента. В ней находится участок INS длиной примерно в 80 аминокислот. Он взаимодействует с определенной областью тРНК, помогая ферменту удерживать молекулярного партнера.
Анализ показал любопытную закономерность: разные эволюционные линии прокариот независимо друг от друга теряли этот участок. Получается, природа несколько раз повторила один и тот же эксперимент — попробовала убрать часть конструкции и посмотреть, что получится.
Для проверки ученые определили кристаллическую структуру IleRS2 бактерии Priestia megaterium, связанного с тРНК кишечной палочки Escherichia coli. Затем они внесли целевые изменения в фермент и измерили скорость его работы.
Выяснилось, что ослабление взаимодействия участка INS с тРНК увеличивало скорость каталитического оборота фермента примерно в четыре раза. Иными словами, IleRS быстрее завершал один рабочий цикл и мог приступать к следующему.
Полное удаление INS приводило к другому эффекту: сродство фермента к тРНК снижалось, а показатель Km, характеризующий поведение фермента при взаимодействии с субстратом, увеличивался примерно в 15 раз. Однако способность присоединять аминокислоту полностью не исчезала.
Это важный нюанс: ферменту становилось сложнее удерживать тРНК, но сама химическая реакция по-прежнему была возможна. Значит, дополнительная структурная деталь не являлась обязательной для выполнения основной задачи.
Структура бактериального фермента IleRS (иллюстрация из смежного исследования). (А) Структура комплекса изолейцил-тРНК-синтетазы с Ile тРНК и мупироцином. Упорядоченная часть тРНК показана золотистым, а два смоделированных нуклеотида – серебристым цветом. Препарат Мупироцин окрашен в розовый цвет. Белок окрашен в зависимости от домена или участка: NH2-концевая область (оранжевый), складка Россмана (зеленый), редактирующий домен или CP1 (желтый), акцепторный домен, связывающий стволовые клетки (серый), CP2-домен (синий), спиральный домен (розовый), COOH-концевое соединение (бирюзовый)., и Zn-связывающий домен (красный). .Бактерии проверили на прочность
Исследователи пошли дальше лабораторных измерений и проверили измененные варианты IleRS на живых клетках E. coli. Для этого собственный фермент бактерий блокировали, заставляя микроорганизмы полагаться на экспериментальные версии.
Мутантные варианты с изменениями в области INS смогли поддерживать рост бактерий. Полностью удаленный участок создавал дополнительные трудности: для нормальной работы такой версии требовалось повысить уровень ее производства и добавить тРНК для изолейцина.
При этом изменения в участке, отвечающем за распознавание антикодона тРНК, оказались гораздо критичнее: такие варианты уже не могли обеспечить рост бактерий.
Таким образом, эволюционная перестройка С-концевой области IleRS позволяет менять скорость работы фермента, не разрушая его основную функцию. Авторы предполагают, что неоднократная потеря INS и другие изменения структуры могли помочь прокариотам ускорить присоединение аминокислот к тРНК, а следовательно, повлиять и на темп производства белков.
Впрочем, ученые не утверждают, что измерили ускорение синтеза всех белков в целой бактерии. Их работа раскрывает конкретный механизм настройки фермента, который потенциально влияет на скорость клеточного белкового конвейера.
Наши результаты показывают, что бактерии в ходе эволюции неоднократно оптимизировали работу фермента IleRS, потенциально повышая скорость аминоацилирования и способствуя более быстрому синтезу белка.Лиам Лонго
О том, как умышленное понижение температуры в бактериальной культуре заставило микробов работать с огоньком и ускорило синтез белков, читайте в материале Hi-Tech Mail. Другая недавняя публикация рассказывает о совершенствовании разных типов бактериального химического оружия.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
