Исследование впервые выявило у архей собственное семейство белков, которое отключает синтез белка и защищает рибосомы во время нехватки питательных веществ
Археи — третий домен жизни наравне с бактериями и эукариотами [но эволюционно ближе к людям], — до сих пор оставались загадкой в вопросе о том, как они погружают свои рибосомы в обратимый анабиоз и переживают длительные периоды без питательных веществ. У бактерий и в клетках животных и растений давно известны молекулярные механизмы, обратимо отключающие рибосомы — это не сон животного с нервной системой, а именно клеточная гибернация — механизм, с помощью которого жизнь пережидает голод, холод или отсутствие энергии, отключая самый затратный процесс — синтез белка, и одновременно защищая «фабрики» от самопереваривания.
Раньше такие системы «консервации» рибосом были известны только у бактерий и в наших клетках (эукариотах). Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, впервые показывает, что у архей существует собственное семейство белков, решающее ту же задачу. А поскольку археи — «чемпионы по выживанию в кипятке, кислоте и под землёй», понимание их «режима ожидания» помогает лучше познать фундаментальные принципы того, как жизнь выдерживает экстремальные условия.
Группа учёных работала с метаногенной археей Methanosarcina acetivorans — организмом, производящим метан и обитающим в бескислородных средах. При истощении питательных веществ этот микроб включает экспрессию четырёх ранее неизвестных белков, объединённых в единый генетический кластер. Два из них садятся на большую субъединицу рибосомы и блокируют центр сборки белковой цепи, ещё два связываются с малой субъединицей и перекрывают каналы входа матричной РНК. В результате рибосома оказывается запертой в неактивной, но защищённой конформации: она не синтезирует белок, не тратит энергию и — что критически важно — её РНК не разрезается клеточными нуклеазами.
Эксперимент с нокаутом генов подтвердил, что механизм работает именно как система выживания, а не регуляции роста. Мутантные клетки, лишённые этих белков, росли в обычных условиях так же, как и контрольные, но после 28 дней голодания восстанавливались на 32% медленнее. Лаг-фаза — время от посева до начала деления — растянулась с 56 до 74 часов. При этом в мутантных клетках наблюдалась почти полная деградация зрелой 16S рибосомной РНК и потеря 30S субъединиц. РНК-секвенирование показало падение покрытия рибосомных транскриптов на треть.
То есть белки не просто блокируют синтез белка, но физически прикрывают собой самые уязвимые участки рибосомы, не давая ферментам-разрушителям до них добраться.
Авторы проанализировали геномы почти 7 тысяч видов архей и обнаружили, что гены этих белков присутствуют у 23% из них, а вместе с другими факторами гибернации охватывают до 65% всех архейных геномов. Консервативность белковых интерфейсов у видов, сохранивших полный набор, указывает на древнее происхождение системы — она существовала уже у последнего общего предка архей.
Открытие заполняет фундаментальный пробел в понимании того, как 3 домена жизни независимо выработали сходную стратегию: в критический момент выключить самую дорогую молекулярную машину и законсервировать её до лучших времён. Для прикладной биологии это даёт новую мишень для воздействия на метаногенные археи в биотехнологии и экологии, а для фундаментальной — ещё одно доказательство, что способность к клеточной гибернации является универсальным и древнейшим свойством жизни на Земле.
