Археи раскрыли секреты: молекулы, позволяющие рибосомам уходить в анабиоз

Исследование впервые обнаружило у архей уникальное семейство белков, которое останавливает синтез белка и защищает рибосомы в условиях нехватки питательных веществ

Археи — третий домен жизни наряду с бактериями и эукариотами [но эволюционно ближе к людям] — до сих пор оставались загадкой в вопросе о том, как они переводят свои рибосомы в обратимый анабиоз и выживают в течение длительных периодов без пищи. У бактерий и в клетках животных и растений давно известны молекулярные механизмы, которые обратимо отключают рибосомы. Это не сновидение животного с нервной системой, а именно клеточная гибернация — механизм, позволяющий жизни переждать голод, холод или отсутствие энергии, отключая самый затратный процесс — синтез белка, и одновременно защищая «фабрики» от самопереваривания.

Ранее такие механизмы «консервации» рибосом были известны только у бактерий и в наших клетках (эукариотах). Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, впервые демонстрирует, что у архей имеется собственное семейство белков, решающее эту же задачу. Поскольку археи являются «чемпионами по выживанию в кипятке, кислоте и под землёй», понимание их «режима ожидания» способствует более глубокому пониманию фундаментальных принципов, позволяющих жизни справляться с экстремальными условиями.

Группа исследователей работала с метаногенной археей Methanosarcina acetivorans — организмом, производящим метан и обитающим в бескислородных условиях. При истощении питательных веществ этот микроб активирует экспрессию четырёх ранее неизвестных белков, объединённых в единый генетический кластер. Два из них присоединяются к большой субъединице рибосомы и блокируют центр сборки белковой цепи, ещё два связываются с малой субъединицей и перекрывают каналы входа матричной РНК. В результате рибосома оказывается заблокированной в неактивной, но защищённой конформации: она не синтезирует белок, не расходует энергию и — что особенно важно — её РНК не разрушается клеточными нуклеазами.

Эксперимент с нокаутом генов подтвердил, что механизм функционирует именно как система выживания, а не как регуляция роста. Мутантные клетки, лишённые этих белков, росли в стандартных условиях так же, как и контрольные, но после 28 дней голодания восстанавливались на 32% медленнее. Лаг-фаза — период от посева до начала деления — увеличилась с 56 до 74 часов. В то же время в мутантных клетках была зафиксирована почти полная деградация зрелой 16S рибосомной РНК и утрата 30S субъединиц. РНК-секвенирование показало снижение покрытия рибосомных транскриптов на треть.

Таким образом, белки не просто препятствуют синтезу белка, но физически закрывают наиболее уязвимые участки рибосомы, не позволяя разрушительным ферментам до них добраться.

Авторы проанализировали геномы почти 7 тысяч видов архей и обнаружили, что гены этих белков встречаются у 23% из них, а в совокупности с другими факторами гибернации охватывают до 65% всех архейных геномов. Консервативность белковых интерфейсов у видов, сохранивших полный набор, свидетельствует о древнем происхождении системы — она существовала уже у последнего общего предка архей.

Это открытие заполняет важный пробел в понимании того, как три домена жизни независимо развили схожую стратегию: в критический момент отключить самую дорогостоящую молекулярную машину и законсервировать её до лучших времён. Для прикладной биологии это открывает новую цель для воздействия на метаногенные археи в биотехнологии и экологии, а для фундаментальной науки — ещё одно свидетельство того, что способность к клеточной гибернации является универсальным и древнейшим свойством жизни на Земле.