Осьминоги обладают уникальным способом синтеза белка

Фото из открытых источников

Рибосомы осьминога допускают удивительно мало ошибок при считывании генетического кода, что потенциально защищает их нервные клетки от дефектных белков. Результаты исследования были опубликованы в журнале Current Biology.

В животном мире молекулярная фабрика, создающая белки, имеет универсальный механизм. Осьминоги — странное исключение. Исследователи обнаружили, что центральная нить РНК в белково-строительном механизме осьминога разрезается пополам в одном и том же месте в каждой ткани. Что еще более странно, этот механизм расщепления приводит к ошибкам при считывании генетического кода гораздо реже, чем наша собственная неповрежденная версия.

Этот механизм — рибосома. Ее ядро настолько мало меняется у разных видов, что лаборатории используют эти нити РНК для проверки качества. Неправильная длина нити обычно означает, что образец испорчен.

Николас Беллоно, профессор молекулярной и клеточной биологии Гарвардского университета, руководил работой совместно с Эми Ли из Гарвардской медицинской школы и Института рака Дана-Фарбер. Ли, чья лаборатория изучает, как клетки преобразуют генетический код в белок, сказала, что всегда предполагалось, что эта часть практически не меняется, и именно это ее удивило.

Разрыв был обнаружен случайно около пяти лет назад. Ричард Хан, тогда аспирант, выделял РНК из калифорнийского двухпятнистого осьминога для стандартного контроля, и полоса самой крупной нити оказалась двухцветной.

Сначала они предположили, что образец некачественный. Они провели повторный анализ, и каждый раз нить обрывалась в одном и том же месте на всех стадиях жизни животного. За этим не стоит никакая мутация. Ген, кодирующий нить, проходит непрерывно, поэтому что-то в клетке должно разрезать РНК после ее образования, и две части остаются вместе, не соединяясь.

«Самая убедительная проверка в науке часто заключается в том, чтобы задать один и тот же вопрос разными способами», — сказал Беллоно.

Итак, команда задала четыре вопроса. Они искали разрыв в генеалогическом древе животных и расшифровали атомную структуру рибосомы осьминога. Они проверили, как этот разрез повлиял на ее химический состав, и проследили ДНК осьминога у головоногих моллюсков.

Ни у кого другого этого не было. Ни у человеческих клеток, ни у длинноперого кальмара, ни у яркой каракатицы, ни у морского зайца, ни у синей мидии, ни у дождевого червя, ни у пиявки, ни у краснобрюхой пираньи.

Беллоно сказал: «Если человек открыт для новых идей и готов искать их в новых местах, он может позволить природе направить его к решению важных проблем».

Не существует установленного способа генетической модификации осьминога, поэтому команда разработала обходной путь. Они извлекли рибосомы из экстракта клеток кролика и поместили туда рибосомы, очищенные от осьминогов, выловленных в дикой природе, кальмаров, выращенных в лаборатории, или клеток человека. Каждая партия затем транслировала одно и то же сообщение.

Рибосома синтезирует белок, захватывая небольшие РНК-носители, каждый из которых содержит одну аминокислоту. Она допускает ошибки, когда принимает носитель, который почти соответствует коду, вместо того, который точно ему соответствует.

Рибосомы осьминога связывали почти правильные белки-переносчики в четыре раза слабее, чем рибосомы кальмара. В тесте, который срабатывает только при неправильном определении белка, машины-осьминоги допустили наименьшее количество ошибок из четырех.

Затем команда вывела эксперимент за пределы осьминога, внедрив аналогичный разрез в рибосомы кишечной палочки. Точность этих бактериальных машин удвоилась, и они не замедлили свою работу. Всё это происходило в пробирках, а не внутри живого животного.

Неправильно считанный код приводит к тому, что в белок вводится не та аминокислота, а дефектный белок, как правило, плохо сворачивается и прилипает к соседним аминокислотам. Такие белковые скопления накапливаются в нервной ткани на протяжении всей жизни.

У четырех исследованных животных нервные волокна осьминога содержали более мелкие скопления белка, чем у кальмара, а ткани осьминога содержали меньше нерастворимого белка, чем ткани кальмара или морского зайца.

Чтобы выяснить, была ли за это ответственна рибосома, команда содержала щупальца осьминога и кальмара живыми в чашках Петри и обрабатывала их антибиотиком G418, который снижает точность работы рибосом.

Сгустки в обработанных щупальцах осьминога разрастались, и ткань становилась все больше похожей на ткань кальмара. Бактериальные рибосомы, несущие модифицированный фрагмент, делали обратный процесс и образовывали меньше сгустков, чем обычные.

Осьминоги и кальмары переписывают свои генетические сообщения после копирования их из ДНК, меняя местами отдельные буквы в 130 000 точках своих генов, кодирующих белки. Таким образом, животное может создавать множество различных белков из одного гена. Редактирование РНК является одной из главных причин того, как у моллюска оказалось около 500 миллионов нервных клеток, большинство из которых расположены в его щупальцах.

В отредактированном сообщении также легче допустить ошибку. Человеческие рибосомы останавливаются на отредактированной букве и вообще не могут прочитать сильно отредактированное сообщение.

Рибосомы кальмара считывали их неточно и производили в десять раз больше сгруппированного белка из отредактированных сообщений, чем из чистых. Рибосомы осьминога производили одинаковое количество белка из обоих типов сообщений.

«Можно представить, насколько это полезно для расширения возможностей отдельных генов, но это также означает, что геном теряет закодированную в нем информацию, если происходит слишком много редактирования», — сказал Беллоно.

Его команда считает, что рибосома осьминога работает как фильтр в этом процессе, пропуская лишь некоторые изменения. В итоге животное получает разнообразный набор белков, которые остаются работоспособными. Это наиболее важно, по его словам, для животного, которое необычайно быстро развивает свою нервную систему и вносит изменения в большей или меньшей степени в зависимости от условий.

Осьминоги разделились на две ветви более 100 миллионов лет назад. Осьминоги, обитающие на мелководье, охотятся, маскируются и ощущают вкус на ощупь, имея щупальца, полные нервной ткани. Их глубоководные родственники имеют более простую нервную систему и медленно питаются тем, что проплывает мимо.

Дистанционно управляемый подводный аппарат забрал одного из этих глубоководных осьминогов, Grimpoteuthis, на глубине 406 метров. Его РНК осталась целой. В самом месте разреза восемь букв ДНК, TATG и CGTC, оставались идентичными на протяжении почти 100 миллионов лет эволюции осьминогов, обитающих на мелководье, в то время как окружающие их буквы изменились.

Кальмары отделились от осьминогов примерно 300 миллионов лет назад и никогда не имели разрыва. Они решают ту же проблему редактирования другим способом, используя более агрессивную систему для удаления поврежденных белков.

Беллоно и Ли прямо говорят о том, чего им не удалось сделать. Практически невозможно наблюдать за синтезом белка внутри живого осьминога, и существует очень мало протоколов для животных, пойманных в дикой природе. Они хотели бы напрямую сравнить рибосомы осьминогов, обитающих на мелководье и в глубинах, а экземпляры из глубин встречаются настолько редко, что лишь немногие лаборатории получат такую возможность.

Механизм, посредством которого клетка делает разрез, до сих пор неизвестен. Беллоно сказал, что как только кто-нибудь это выяснит, разрез можно будет внедрить в живой организм и проверить, помогает ли это животному выжить.

«Было бы также интересно, если бы небольшая молекула могла воздействовать на этот участок, чтобы воспроизвести повышенную точность синтеза белка», - сказал Беллоно.

По его словам, более точное построение белков имеет важное значение для понимания эволюции и может иметь значение для лечения заболеваний, при которых накапливаются неправильно свернутые белки, в том числе болезни Альцгеймера. Пока кто-нибудь не разберется, как клетка проходит этот отбор, ни одну из этих идей нельзя проверить на живом животном.