古老的机制有助于细胞抵抗压力

来自罗蒙诺索夫莫斯科国立大学的生物学家与来自俄罗斯科学院恩格尔哈特分子生物学研究所的同事合作，利用RNA转染和体外技术，通过四种不同的方法显示同一mRNA如何在细胞中指导蛋白质合成。研究结果发表在同行评审期刊“ 科学报告”上。从物理化学生物学研究所Belozersky，罗蒙诺索夫莫斯科国立大学的一个部门的科学家，与他们的同事们，已经申请转染方法提供RNA进入细胞，观察影响细胞应激对蛋白质的生物合成在短期时间尺度。

细胞应激和蛋白质合成的重编程

本文的主要作者，莫斯科罗蒙诺索夫Belozersky物理化学生物学研究所的高级研究员谢尔盖·德米特里耶夫说：“我们的项目致力于蛋白质生物合成机制的研究，包括细胞应激的情况。研究突出了三个方面。第一个方面涉及方法，因为我们提出了一种技术，它允许在短期RNA转染技术的帮助下分析细胞中的蛋白质合成“。

转染是将DNA和RNA递送至活细胞的方法。通常，使用DNA。引入细胞核后，它启动了新的RNA合成过程，之后才将RNA输出到细胞质中参与蛋白质的生成。来自罗蒙诺索夫莫斯科国立大学的生物学家提出了一种将人工合成的RNA引入细胞的方法，作为立即蛋白质合成的模板。

在特殊化学试剂的帮助下将RNA递送至细胞。一旦被引入细胞质，它就会在与核糖体接触时参与蛋白质生产，这是一个更短的过程。在短短一到两个小时内，研究人员观察了蛋白质活性并估计了其数量。

该技术允许在短时间内研究应力对细胞的影响。电池应力包括例如由升高的温度引起的热冲击; 活性氧引起的氧化应激; 和对破坏体内平衡​​的化学制剂的反应(包括抗生素和医疗药物)。细胞应激的因素迫使细胞暂停蛋白质生物合成(或“重新编程”它)，直到系统纠正平衡。

谢尔盖澄清说：“通常，这些过程持续一到四个小时，我们的”快速“RNA转染技术是研究这些过程效果最方便的方法。我们对培养的人肾细胞进行了研究，作为此类研究的标准模型。最后，我们详细阐述了一种技术，可以获得人工RNA，将其转移到细胞中并在很短的时间内获得结果。我们将整个方法命名为FLERT(用于短暂的mRNA)转换)，听起来像俄罗斯有点像'调情'，“谢尔盖说。

在核糖体的情况下，为什么40S和60S的总和等于80S?

信使RNA(mRNA)是编码蛋白质的核苷酸聚合物。一个氨基酸由三个核苷酸编码。有一种特殊的分子机器，即核糖体，可以产生蛋白质。沿着mRNA移动，核糖体以三重三重方式读取信息。

蛋白质合成机的结构非常复杂。它包括两个子单元 - 小单元(40S)和大单元(60S)。当它们结合时获得完整的核糖体。但是，它不是指定为100S，而是指定为80S。原因是这些数字不是指颗粒质量，而是指离心过程中确定的沉降系数。该系数取决于若干参数，包括粒子的形状。

为了开始信息解码，首先必须找到正确的起始点 - 从中​​开始读取的三元组。检测起点是有问题的，因为mRNA中没有三联体的标记。但是，如果你开始从错误的核苷酸读取，阅读框将被移动，一切都会出错。特殊蛋白质(翻译起始因子)帮助核糖体在模板中找到正确的位置以开始阅读三胞胎。

通常，mRNA链的起点和起始点之间存在距离，称为“前导”。核糖体应该通过这个领导者而不阅读。科学家们想知道如果mRNA从起始密码子开始 - 即从“第一个单词”开始会发生什么。有趣的是，在古细菌(单细胞原核生物已在地球上生存了数十年并且能够在极端条件下生存)和其他一些原始生物中，大多数mRNA从起始密码子开始。这种RNA被称为“无领导者”。无头mRNA被认为是信使RNA的进化原型，因为古老的核糖体无法找到起始点并从mRNA链的最初开始解码。

核糖体通过几个阶段以与mRNA相互作用并开始蛋白质合成。通常，核糖体的40S亚基结合mRNA，然后大的60S亚基在起始密码子处加入它。相反，无前导mRNA可以直接加载到整个核糖体中。这一发现于20世纪90年代由罗蒙诺索夫莫斯科国立大学教授伊万·沙茨基提出。

在新项目中，科学家已经证明，由于其独特的性质，无领导的RNA对许多胁迫类型具有抗性，并且即使在这样的条件下也能继续指导蛋白质合成，而具有领导作用的常见RNA在影响后的最初几分钟内停止工作。使用FLERT技术，科学家现在已经在活细胞中证实了这一点。

研究扩展带来了更有趣的结果。事实证明，无领导mRNA的独特性质使其在蛋白质合成机制的选择中具有高度灵活性。研究人员发现，真核生物具有多种途径，核糖体可以通过这些途径在起始密码子上发现自己。这些模式由称为翻译起始因子的不同特化蛋白质集介导，并且已经显示出对不同mRNA起作用。

可由任何细胞mRNA使用的最常见途径由eIF2蛋白提供。然而，这种因素在压力条件下非常快速地失活。结果，除了那些使用其他起始因子的核糖体外，核糖体不能识别所有mRNA上的起始密码子。

在之前的一项研究中，科学家发现eIF2并不是唯一能够完成这项工作的因素。例如，丙型肝炎病毒的mRNA能够在没有eIF2的情况下进行，并且可以使用eIF5B或eIF2D代替。这种病毒在这个意义上被认为是独特的 - 虽然规范模板被动地等待，直到核糖体结合它们，丙型肝炎病毒mRNA“抓住”40S亚基并将其置于链上的正确位置。现在科学家已经证明无领导mRNA能够以相同的方式起作用。

同样有趣的是，所有生物都具有eIF5B因子，因为它是一种保守的进化蛋白。相比之下，eIF2仅存在于真核生物和古细菌中 - 因此它并不普遍。所有上述结果表明，只有当核糖体通过主动搜索起始密码子识别mRNA时才需要经过充分研究的经典因子eIF2。这种翻译启动方式称为“扫描”，需要eIF2。当发现起始密码子时，eIF2被eIF5B取代并开始蛋白质合成。古代无领导mRNA可以使用原始机制，立即募集eIF5B因子。

谢尔盖·德米特里耶夫总结道：“我们得到了一个很好的结果来解释一切。我们发现原始mRNA可以使用古老的进化机制。此外，它能够使用其他三种途径 - 通过eIF2，eIF2D或直接招募整个80S核糖体。“