Ученые МГУ в составе международного коллектива структурных биологов раскрыли механизм действия низкомолекулярных веществ, помогающих клетке синтезировать полноразмерный белок с испорченных мутациями генов.
Практически каждый из нас является носителем тех или иных патологических мутаций в важных генах. Мы можем этого не замечать, поскольку большинство генов представлено в геноме в двух экземплярах: от матери и от отца, однако при неудачном стечении обстоятельств, когда партнеры окажутся носителями «поломок» в одном и том же гене, с определенной вероятностью может родиться ребенок с соответствующим заболеванием.
Примерно десятая часть всех наследственных заболеваний у человека связана с мутациями, вносящими в гены так называемые «преждевременные стоп-кодоны». Кодоны – это язык, на котором в нашем геноме закодированы белки (биополимеры, выполняющие большинство функций в организме), а стоп-кодон на этом языке подобен точке: на нем синтез белка заканчивается. Если в ДНК происходит мутация, в результате которой случайно получается ненужный стоп-кодон «посреди предложения» (их называют «нонсенс-мутациями»), это приводит к тому, что вместо полноразмерного белка синтезируется «обрубок», который, как правило, не может выполнять нужную функцию. Из-за этого и возникает патология. Типичные примеры таких заболеваний – распространенные формы муковисцидоза, мышечной дистрофии Дюшенна, гемофилии и целый ряд других. Кроме того, нонсенс-мутации часто возникают в важных «генах-стражах» (онкосупрессорах) в клетках нарождающейся опухоли, после чего она начинает особенно бурно развиваться, становится злокачественной, и у человека возникает рак.
Синтез белка в клетке осуществляют специальные молекулярные машины – рибосомы. Они движутся по длинным цепочкам мРНК, которые до этого были синтезированы с какого-то гена в ДНК, и «считывают» кодоны. При этом они переводят их на язык аминокислот, из которых состоят белки, и постепенно, звено за звеном, строят белковую цепь. Наткнувшись на преждевременный стоп-кодон, они интерпретируют его как команду завершить синтез. Но что если научиться «подсказывать» рибосоме, какой из стоп-кодонов «правильный», а какой – «ложный»? Оказывается, кое-какие шансы на это есть: «правильные» стоп-кодоны обычно находятся ближе к концу цепочки мРНК и лучше узнаются рибосомой, а те, которые возникли в результате мутации, расположены в случайном месте и поэтому часто являются слабым стоп-сигналом. Если подобрать вещества, которые заставляли бы рибосому чаще ошибаться при прочтении стоп-кодона, такие ошибки чаще случались бы на «неправильных» стопах.
Исследователи по всему миру давно ищут такие вещества. Сейчас их найдено уже более полусотни. Наиболее широко известны аминогликозиды: генецитин, паромомицин и некоторые другие. Однако эти вещества обладают высокой токсичностью, и это сильно ограничивает их применение.
«Не так давно, изучая научную литературу на эту тему, мы наткнулись на одну малоизвестную статью, которая нас сильно заинтересовала, — рассказывает соавтор работы, заведующий отделом взаимодействия вирусов с клеткой НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ Сергей Дмитриев. — В ней утверждалось, что вещество мефлоквин, относящееся к совсем другому классу химических соединений (хинолинам), при добавлении к клеткам вместе с аминогликозидами во много раз усиливало их действие на сквозное прочтение стоп-кодона. Интересно, что сам по себе мефлоквин такого действия не оказывал, но позволял существенно снизить дозу токсичного аминогликозида. Однако механизм работы этого соединения был неизвестен, да и сам эффект был продемонстрирован лишь для мРНК одного конкретного гена. Мы обсудили это с коллегами из Института генетики, молекулярной и клеточной биологии Страсбургского университета – структурными биологами, работающими под руководством наших соотечественников, профессоров Марата и Гульнары Юсуповых, на счету которых было уже несколько выдающихся работ по анализу комплексов рибосомы с аминогликозидами. Вместе с еще одним коллективом из Нидерландов, а также с учеными из Казани им удалось с помощью методов рентгеноструктурного анализа и криоэлектронной микроскопии выяснить, что молекула мефлоквина связывается непосредственно с рибосомой, и определить структуру этого комплекса. А мы помогли с анализом действия вещества на клетки человека».
«Наша часть работы заключалась в том, чтобы подтвердить, что мефлоквин действует на синтез не только одного-единственного белка, который изучали в той первой статье, — дополняет студентка факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Анастасия Сухинина. — Мы изготовили искусственные мРНК с преждевременным стоп-кодоном, который препятствовал синтезу светящегося белка (нанолюциферазы), и показали, что при добавлении мефлоквина в сочетании с аминогликозидом к клеткам, в которые была доставлена эта мРНК, светимость клеток частично восстанавливалась».
Работа, опубликованная международным коллективом ученых в престижном научном журнале PNAS, позволила не только продвинуться в понимании характера действия мефлоквина, но и уточнить механизм работы самих аминогликозидов. Эти данные открывают путь к разработке других подобных «усилителей» сквозного прочтения стоп-кодонов, которые в перспективе могут помочь сотням тысяч пациентов, страдающих от наследственных заболеваний, вызванных нонсенс-мутациями. Работа была частично поддержана грантом РНФ.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: ru.123rf.com
