Не так давно ученые сообщили об открытии природного белка Balon, который может остановить синтез новых белков в клетке. Balon был обнаружен в бактериях, спящих в слое вечной мерзлоты Арктики. Однако есть основания полагать, что его вырабатывают и другие организмы.
Для большинства форм жизни способность временно «отключаться» от окружающего мира — это важнейшее условие выживания. В любой момент могут возникнуть суровые условия, такие как недостаток пищи или холодная погода. В тяжелые времена многие организмы вместо того, чтобы застыть и умереть, прибегают к искусству спячки. Они замедляют активность и метаболизм. Затем, когда наступают лучшие времена, они оживают.
Пребывание в состоянии покоя действительно является нормой для большинства живых организмов на Земле. По некоторым оценкам, 60% всех микроорганизмов в любой момент времени находятся в спячке. Даже внутри организмов, чье тело не погружается в длительный сон, некоторые клетки пребывают в состоянии покоя и ждут подходящего момента, чтобы активизироваться.
«Мы живем на спящей планете, — утверждает Сергей Мельников, молекулярный биолог из Университета Ньюкасла в Великобритании. — По большей части все живое на Земле спит».
Но как клеткам это удается? В течение многих лет исследователи открыли несколько «факторов гибернации», белков, с помощью которых клетки вызывают и поддерживают состояние покоя. Когда клетка обнаруживает какое-либо неблагоприятное условие, например голод или холод, она вырабатывает эти белки, чтобы замедлить метаболизм.
Некоторые факторы гибернации разрушают клеточные механизмы, другие препятствуют экспрессии генов. Но самые важные из них блокируют рибосому, клеточный механизм для создания новых белков. На создание белков приходится более 50% энергии, потребляемой растущей бактериальной клеткой. Эти факторы гибернации останавливают функцию рибосомы, не позволяя ей синтезировать новые белки и тем самым сохраняя базовую энергию для нужд выживания.
В начале этого года в журнале Nature писали об открытии белка Balon, нового фактора гибернации. Поразительна его распространенность: анализ выявил его присутствие в 20% всех изученных бактериальных геномов. И работает он так, как молекулярным биологам еще не доводилось видеть.
Ранее все известные факторы гибернации, препятствующие работе рибосомы, действовали пассивно. Они ждали, пока рибосома закончит строить белок, а затем не давали ей начать новый. Однако Balon жмет на экстренный тормоз. Он встраивается в каждую рибосому в клетке, даже прерывая активные рибосомы в самый разгар их работы. До открытия белка Balon факторы гибернации наблюдались только в незанятых рибосомах.
«Исследование нового белка удивительно подробно, — считает эволюционный биолог Джей Леннон, изучающий гибернацию микроорганизмов в Университете Индианы. — Оно дополнит наше представление о том, как работает режим покоя».
Мельников и его коллега Карла Хелена-Буэно обнаружили Balon в арктической вечной мерзлоте. Его производит Psychrobacter urativorans, адаптированная к холоду бактерия, обитающая в мерзлых почвах. (По словам Мельникова, впервые эта бактерия была обнаружена в 1970-х годах на упаковке замороженных сосисок, а затем заново открыта известным специалистом по геномике Крейгом Вентером во время поездки в Арктику). Ученые изучали Psychrobacter urativorans и другие необычные микробы, чтобы охарактеризовать разнообразие инструментов для построения белков, используемых во всем спектре жизни, и понять, как рибосомы могут адаптироваться к экстремальным условиям окружающей среды.
Поскольку состояние покоя может быть вызвано различными условиями, включая нехватку пищи и засуху, ученые преследуют практическую цель. «Вероятно, мы сможем использовать эти знания для создания организмов, способных переносить более жаркий климат, — говорит Мельников, — и, таким образом, противостоять изменению климата».
Хелена-Буэно обнаружила новый белок совершенно случайно. Она пыталась заставить P. urativorans благополучно расти в лаборатории. Однако получилось наоборот. Она оставила культуру в ведерке со льдом надолго и подвергла ее холодному шоку. К тому времени, когда она вспомнила про образец, бактерии, адаптированные к холоду, уже перешли в спящий режим.
Не желая выбрасывать культуру, исследователи все равно продолжили свой первоначальный поиск. Хелена-Буэно извлекла рибосомы бактерий, подвергшихся холодовому шоку, и использовала криогенную электронную микроскопию (крио-ЭМ, метод визуализации мельчайших биологических структур с высоким разрешением). Хелена-Буэно увидела белок, застрявший в «сайте А» рибосомы, своеобразной «двери», через которую поступают аминокислоты для создания новых белков.
Хелена-Буэно и Мельников не сумели сразу распознать этот белок. Более того, он никогда не был описан ранее. Он оказался схож с другим бактериальным белком, который важен для расщепления и переработки частей рибосомы и называется Pelota, что в переводе с испанского означает «мяч». Поэтому они назвали новый белок Balon, еще одним испанским словом, означающим то же слово.
По словам Ми-Нган Фрэнсис Яп, микробиолога из Северо-Западного университета, способность белка Balon останавливать деятельность рибосомы — это важнейшая адаптация для микроорганизма в условиях стресса. «Когда бактерии активно растут, они производят много рибосом и РНК, — объясняет она. — Когда они сталкиваются со стрессом, может потребоваться прекратить трансляцию РНК в новые белки, чтобы начать экономить энергию для потенциально долгого периода спячки».
Примечательно, что действие белка Balon — обратимый процесс. В отличие от других факторов гибернации, его можно включить, чтобы приостановить рост, а затем быстро отключить, как кассету. Это позволяет клетке быстро впадать в гибернацию в экстренных случаях и так же быстро выходить из нее, чтобы перестроиться на более благоприятные условия.
Balon может это осуществить, потому что он прикрепляется к рибосомам уникальным способом. Все ранее обнаруженные факторы рибосомной гибернации физически блокируют А-сайт рибосомы, поэтому любой процесс производства белка должен быть завершен, прежде чем фактор сможет присоединиться и остановить рибосому. Balon, напротив, присоединяется рядом с каналом, но не пересекает его, что позволяет ему приходить и уходить независимо от того, что делает рибосома.
Несмотря на то, что механизм действия этого белка стал открытием, Balon оказался чрезвычайно распространенным. После его идентификации Хелена-Буэно и Мельников обнаружили генетических сородичей белка примерно в 20% всех бактериальных геномов, хранящихся в открытых базах данных. С помощью Марии Рыбак, молекулярного биолога из Техасского медицинского университета, они классифицировали два альтернативных бактериальных белка. Один — из патогенной для человека бактерии Mycobacterium tuberculosis, вызывающей туберкулез, а другой — из Thermus thermophilus, обитающей там, где невозможно встретить P. Urativorans, в термальных источниках. Оба белка также связываются с А-сайтом рибосомы, что позволяет предположить, что по крайней мере некоторые из этих генетических родственников действуют аналогично Balon у других видов бактерий.
Balon отсутствует в кишечной палочке и золотистом стафилококке — двух наиболее часто изучаемых бактериях и наиболее распространенных моделях клеточного покоя. По словам Хелены-Буэно, сосредоточившись лишь на нескольких лабораторных организмах, ученые упустили широко распространенную тактику гибернации. «Я попыталась заглянуть в малоизученный уголок природы и случайно нашла кое-что», — говорит она.
Каждой клетке необходима способность впадать в состояние покоя и ждать своего часа. Лабораторная модель бактерии E. coli имеет пять отдельных режимов гибернации, отмечает Мельников, каждый из которых сам по себе достаточен для того, чтобы микроб смог пережить кризис.
«Большинство микробов испытывают недостаток пищи, — говорит Эшли Шейд, микробиолог из Лионского университета во Франции. — Они существуют в состоянии нужды. Они не размножаются. Это нельзя назвать благополучным существованием».
Но пребывание в состоянии покоя необходимо и вне периодов голодания. Даже у организмов, чье тело не погружается в полный сон, например у большинства млекопитающих, отдельные клеточные популяции должны ждать подходящего момента для активации. Человеческие яйцеклетки десятилетиями находятся в спящем состоянии, ожидая оплодотворения. Стволовые клетки человека появляются в костном мозге, а затем находятся в состоянии покоя, ожидая, когда организм призовет их к росту и дифференциации. Фибробласты в нервной ткани, лимфоциты в иммунной системе и гепатоциты в печени — все они переходят в фазу покоя, пассивности, отсутствия деления, и активизируются позже.
«Это не свойственно лишь бактериям или археям, — поясняет Леннон. — У каждого организма на древе жизни есть способ реализации этой стратегии. Они могут приостановить свой метаболизм».
Медведи впадают в спячку. Вирусы герпеса лизогенизируются. Черви переходят в стадию дауэра. Насекомые впадают в диапаузу. Амфибии входят в анабиоз. Птицы впадают в оцепенение . Все это слова, обозначающие одно и то же: состояние покоя, которое организмы могут перевести в другое состояние при благоприятных условиях.
«До появления состояния покоя единственным способом жить было продолжать расти без перерывов, — говорит Мельников. — Поставить жизнь на паузу — это роскошь».
Это также один из видов защиты на уровне популяции. Некоторые клетки поддерживают состояние покоя, обнаруживая изменения в окружающей среде и реагируя на них соответствующим образом. Однако многие бактерии используют стохастическую стратегию, то есть учитывают возможность случайных факторов. «В условиях случайных колебаний окружающей среды, если иногда не впадать в состояние покоя, есть шанс, что вся популяция вымрет», — поясняет Леннон. Даже в самых здоровых, благополучно развивающихся и быстрорастущих культурах кишечной палочки от 5 до 10% клеток все же будут находиться в состоянии покоя. Это те, кто выживет, если что-то случится с их более активными и уязвимыми сородичами.
В этом смысле состояние покоя — стратегия выживания при глобальных катастрофах. Именно поэтому Хелена-Буэно его изучает. Ее интересует, какие виды могут оставаться стабильными, несмотря на изменение климата, какие могут восстановиться, и какие клеточные процессы, например гибернация с помощью белка Balon, могут помочь в этом.
Более того, Мельников и Хелена-Буэно надеются, что открытие Balon и его повсеместное распространение поможет людям переосмыслить то, что важно в жизни. Мы все часто погружаемся в спячку, и многим из нас это очень нравится. «Мы проводим во сне треть жизни, но делаем вид, что это не так», — говорит Мельников. Вместо того чтобы сетовать на то, что мы теряем во время сна, может быть, стоит воспринимать его как процесс, который связывает нас со всем живым на Земле, включая микробов, дремлющих глубоко в арктической вечной мерзлоте.