Представление о рибосоме как о комплексе из двух элементов

В том, что касалось физических параметров, протеиносинтезирующие частицы продолжали изменять свою внешность. После того как их удавалось унифицировать и освободить от эндоплазматического ретикулума, они разделялись на две части. После множества опытов сотрудники вирологической лаборатории Уэнделла Стэнли в Беркли Фу‑Чуанчао и Хауард Шекман сообщили, что дрожжевые микросомы с седиментационной константой в 80S можно делить на две неравные части по 60S и 40S¹. Двумя годами позже Мэри Питерманн и ее сотрудники диссоциировали взятые из печени рибосомы в 78S на две части – большую (62S) и маленькую (42S)². Одновременно Альфред Тиссьер и Джеймс Уотсон, которые начали в Гарварде работать с рибосомами Escherichia coli³, сообщили, что их частицы осаждались с показателем 70S и поддавались обратимому разделению на части по 50S и 30S⁴. Постепенно, в ходе многолетних опытов, в центре которых со временем оказалась сравнительно простая процедура центрифугирования в градиентах сахарозы, царившая сначала путаница относительно размеров РНП‑частиц разъяснилась: выяснилось, что секрет стабилизации частиц заключался в концентрации ионов магния. Результаты экспериментов со множеством частиц из разных источников приводили к одним и тем же выводам: бактериальные рибосомы в 70S были всегда меньше, чем их эукариотические эквиваленты в 80S, но и те и другие поддавались обратимому разделению на две части, которые стали теперь рассматриваться как два более или менее четко очерченных элемента некоей комплексной структуры.

От эукариот к бактериям, от биохимии к молекулярной биологии

Нашедшее широкое признание в конце 50‑х гг. представление о рибосомах как о носителях стабильной матрицы сформировалось на основе экспериментальных систем, в которых использовались животные клетки. Это было наследием онкологии, в чьих рамках осуществлялось большинство проектов по изучению протеинового синтеза в период между 1945 и 1955 гг. Это представление плохо согласовывалось с наблюдениями касательно связи нестабильной РНК с бактериальным синтезом белка¹ и с синтезом бактериофагов.² Однако сначала никто из ученых, занимавшихся клетками высших организмов, не мог найти применения этим наблюдениям. Рибосому они рассматривали как «стабильное производящее устройство, которое уже содержит в себе РНК‑транскрипт ДНК»³. Такой взгляд на вещи предполагал принятие гипотезы по принципу «одна рибосома – один энзим»: та или иная рибосома или тот или иной класс частиц отвечает за производство того или иного определенного протеина. Кроме того, среди ведущих исследователей синтеза белка бактериальные системы экспериментов in vitro считались ненадежными, неконтролируемыми, и потому результаты, полученные с их помощью, не полагалось принимать безусловно⁴.

Эта ситуация резко изменилась, когда в контексте целого ряда работ с бактериями in vivo и in vitro была идентифицирована нестабильная РНК, решительно отличающаяся от рибосомной РНК и явно играющая важнейшую роль в синтезе белка. Она быстро обрела известность под названием «матричные РНК». Франсуа Жакоб и Жак Моно из Института Пастера (Institut Pasteur) в ходе своих исследований по «энзиматической индукции» у Escherichia coli пришли к гипотезе о существовании таких молекул⁵. Франсуа Гро и другие сотрудники Лаборатории Уотсона в Гарварде обнаружили их в ходе собственной работы над проблемами реализации РНК в клетках Escherichia coli⁶, а Генри Маттеи и Маршалл Ниренберг в Национальном институте здоровья (National Institutes of Health, Bethesda) в Бетезде в 1961 г. продемонстрировали, что добавление искусственно синтезированных рибонуклеиновых кислот, таких, как полиуридиловая, к основанной на Escherichia coli системе in vitro приводит к синтезу монотонных полипептидов. Это дало исследователям ключ к расшифровке генетического кода.

Работы эти сопровождались разработкой и распространением надежной системы белкового синтеза в пробирке, основанной на бактериальных клеточных гомогенатах. Рибосома в процессе этих штудий снова переменила свою идентичность. Она мутировала из «матрицы» для синтеза белка в машину, которая последовательно считывает генетическую информацию, закодированную в самых различных мРНК, и реализует ее в полипептидах, подобно магнитной головке, мимо которой движется пленка в магнитофоне. Если раньше специфичную для рибосом РНК рассматривали как матрицу, то теперь ей стали приписывать функцию структурного каркаса, скрепляющего гигантский мультипротеиновый фермент, который обеспечивает образование специфических пептидных связей. Этому представлению суждено было господствовать в последовавшие затем два десятилетия. (Поколеблено оно было только тогда, когда в начале 80‑х г. ученые заметили, что рибонуклеиновые кислоты могут функционировать и в качестве ферментов. Это дало основания предполагать, что рибосомная РНК имеет не только структурное, но и функциональное значение. С тех пор стало появляться все больше указаний на ферментативную активность рибосомной РНК при образовании пептидных связей, что вызвало новый переворот в отображении этой час­тицы.)

Возможность произвольно использовать в протеиновом синтезе in vitro вирусные и, в особенности, синтетические матричные РНК дала в руки ученым важные инструменты для молекулярного анализа функции рибосом. Многие детали так называемой инициации (начала протеинового синтеза), элонгации (повторяемого цикла образования пептидных связей) и терминации (конца протеинового синтеза) были выяснены с помощью все более хитроумных и частично редуцированных парциальных систем в пробирке, в которых использовались экстракты из клеток Escherichia coli и синтетическая мРНК – полиуридиловая кислота. Параллельно с этой работой шла дешифровка генетического кода. В данном процессе рибосомные частицы играли роль не только научного объекта, но также и инструмента, при помощи которого можно было изучать другой эпистемический объект: генетический кодовый словарь.

В связи с изучением функции рибосом, после того как стала общепризнанной концепция информационной РНК, на повестке дня естественным образом встал вопрос об изоляции матрично‑рибосомных комплексов. Для этого нужно было разработать щадящие методы, создание которых стало в начале 60‑х г. новым видом спорта, в котором соревновались группы ученых. Скоро крупные частицы появились на кривых сахарозных градиентов и на электронно‑микроскопических снимках. Их называли по‑разному – то «рибосомными кластерами», то «активными комплексами», то «эргосомами», то «агрегированными рибосомами»¹, пока, наконец, не утвердилось название «полисомы»² Полисомы состояли, как казалось, из рибосом, насаженных, как бусины, на нить и транслировавших определенные мРНК. Особые, мягкие способы изоляции были нужны для того, чтобы не дать этим цепочкам распасться во время фракционирования. Итак, выяснилось, что установившееся представление о мономерной, состоящей из двух элементов рибосомной частице – это абстракция, которая соответствовала скорее некоему функциональному состоянию в пробирке, нежели в живой клетке.

После того как рибосома нашла свое место в функциональной сетке белкового синтеза, который, в свою очередь, нашел свое место в процессе экспрессии генов, т. е. в молекулярной генетике, она приобрела дополнительное эпистемическое значение в качестве модельного объекта для изучения молекулярных взаимодействий между белками и нуклеиновыми кислотами. Благодаря картированию генетических локусов их компонентов, выяснению их первичной, вторичной и третичной структуры и их пространственного (четвертичного) расположения, их реконституции из компонентов в пробирке рибосома наконец стала объектом заветной мечты всех, кто занимался редукционизмом в молекулярной биологии, стремясь разложить органеллы клетки на «атомы». Чтобы рассказать эту историю, потребовалась бы отдельная глава. Рассказывать пришлось бы не историю нескольких лабораторий, а историю тридцатилетних усилий всего мирового научного сообщества «рибосомологов», которые направили на эти частицы собранную в кулак силу нейтронных потоков, рентгеновских лучей, новейших электронных микроскопов и всего арсенала техник секвенирования и которые по сей день ведут дискуссии о том, с помощью какого молекулярного механизма этот предмет их интереса осуществляет свою основную задачу –создание пептидной связи.