Обнаружены молекулярные механизмы обратимой консервации рибосом у архей

Археи, образующие третий домен живых организмов наравне с бактериями и эукариотами (хотя генетически они ближе к людям), долгое время хранили тайну того, каким образом их рибосомы переходят в обратимое состояние покоя для преодоления длительного голодания. Науке давно известно, что клетки животных, растений и бактерий способны временно деактивировать рибосомы — это не аналог сна с участием нервной системы, а настоящая клеточная гибернация. Данный защитный механизм позволяет организму переживать экстремальные периоды нехватки энергии, холода или дефицита пищи за счет остановки самого энергоемкого процесса (синтеза белка) и одновременного предохранения клеточных «фабрик» от саморазрушения.

Прежде подобные системы консервации рибосом находили исключительно у бактерий и эукариот. Свежая научная публикация в журнале Nature Communications демонстрирует, что у архей имеется собственный класс белков, выполняющий аналогичную функцию. Учитывая, что археи прославились как непревзойденные экстремофилы, способные выживать в кипящей воде, кислотной среде и глубоко под землей, расшифровка их «спящего режима» углубляет наше понимание базовых законов адаптации живой природы к суровым условиям.

Исследовательская команда сосредоточилась на изучении метаногенной археи Methanosarcina acetivorans, обитающей в бескислородной среде и вырабатывающей метан. При истощении питательной среды этот микроорганизм активирует синтез четырех прежде неизвестных белков, объединенных в единый кластер. Пара из них закрепляется на большой субъединице рибосомы, блокируя каталитический центр сборки пептидной цепи, в то время как оставшиеся два соединяются с малой субъединицей, перекрывая пути поступления матричной РНК. В итоге рибосома оказывается заблокированной в неактивном, но защищенном положении: она прекращает трансляцию, перестает расходовать энергию и, что крайне важно, защищена от разрезания клеточными нуклеазами.

Проведенные эксперименты с отключением целевых генов подтвердили, что перед нами именно инструмент выживания, а не регулятор обычного роста. Мутантные микроорганизмы без этих защитных белков развивались в стандартных условиях наравне с контрольной группой, однако после месячного голодания (28 дней) восстанавливались на треть (на 32%) медленнее. Продолжительность лаг-фазы — промежутка от момента посева до старта деления — увеличилась с 56 до 74 часов. Более того, в дефектных клетках фиксировалось почти полное разрушение зрелой 16S рибосомной РНК и утрата 30S субъединиц. Анализ РНК показал сокращение покрытия рибосомных транскриптов на треть.

Иными словами, защитные протеины не просто приостанавливают синтез белков, но и физически экранируют наиболее уязвимые зоны рибосомы, преграждая путь разрушающим ферментам.

Специалисты изучили геномы почти 7 тысяч разновидностей архей и выявили эти гены у 23% из них, а с учетом иных факторов гибернации охват достигает 65% всех архейных геномов. Высокая степень консервативности белковых структур у видов, сохранивших полный набор, свидетельствует о глубокой древности этого механизма, который существовал еще у общего предка всех архей.

Полученные данные закрывают важный пробел в понимании того, как три главных домена жизни независимо друг от друга пришли к единой стратегии: в критический момент останавливать ключевой молекулярный аппарат и консервировать его до благоприятных времен. С практической точки зрения это открывает перспективные мишени для контроля метаногенных архей в биотехнологическом секторе и экологии, а для фундаментальной науки служит очередным подтверждением того, что способность к клеточной гибернации выступает универсальной и древнейшей характеристикой земной жизни.

Источник: iXBT