Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Трансляция - это процесс биосинтеза белка на матрице РНК, конечное звено цепочки реализации генетической информации. Основной участник этого процесса - рибосома, сложный РНК-белковый комплекс, последовательно присоединяющий аминокислоты одна к другой, в результате чего и образуется белок. Помогают рибосоме в ее нелегком деле и так называемые белковые факторы этого процесса - белки, не входящие в состав рибосомы постоянно, а просто временно связывающиеся с ней для выполнения своих функций. Выделяют два основных типа трансляции - бактериальная и эукариотическая. Механизмы трансляции обоих типов изучены очень подробно - вплоть до точного положения каждого индивидуального атома из молекул, входящих в состав рибосомы. Однако существует и третий тип трансляции - митохондриальная. Митохондрии - это важнейшие органеллы эукариотической клетки, выполняющие множество функций, основной из которых является клеточное дыхание, то есть превращение кислорода в АТФ посредством сложной цепочки реакций. Считается, что митохондрии возникли несколько миллиардов лет назад из свободноживущих бактерий, которые были поглощены другой бактерией, но не переварились, а приспособились к жизни внутри нового хозяина. В связи с этим, у митохондрий сохранились некоторые черты бактерий, в частности, у них имеется собственный геном и все механизмы реализации генетической информации, записанной в нем. Трансляция в митохондриях, в целом, организована по бактериальному типу. В этой связи ранее в течение долгого времени в научном сообществе преобладало мнение, согласно которому этот процесс не очень интересен для изучения. Однако на самом деле это совсем не так: митохондриальная трансляция обладает множеством любопытных особенностей, которые не характерны ни для бактериального, ни для эукариотического процесса. Помимо этого, недавно стало ясно, что митохондриальная трансляция - это мишень побочных эффектов многих антибиотиков, применяющихся в медицине. Ведь митохондриальные рибосомы все же похожи на бактериальные, и когда мы с вами принимаем антибиотики, они никак не могут повлиять на наши обычные, цитоплазматические рибосомы, а вот на митохондриальные влияют, и зачастую очень сильно. В связи с этим, митохондриальная трансляция заслуживает самого пристального изучения, и именно этим мы и занимаемся в рамках проекта РНФ 17-14-01005. Основной объект наших исследований - белок Aim23p, один из белковых факторов митохондриальной трансляции пекарских дрожжей. В биологии существует неписанное правило: если из клетки удалить какой-либо фактор трансляции - процесс без него идти не будет, и клетка погибнет. Aim23p оказался первым в истории исключением из этого правила: митохондрии без этого белка продолжают существовать, и трансляция в них идет, правда, не лучшим образом. В отсутствие Aim23p синтез некоторых белков в митохондриях действительно подавляется, но количество некоторых других становится даже больше! Выполняя данный проект, мы пытаемся разобраться в причинах этого феномена. В дрожжевых митохондриях без Aim23p подавляется синтез трех белков. Все они являются компонентами так называемого цитохромоксидазного комплекса, участвующего в биосинтезе АТФ. Для корректной работы этого комплекса абсолютно необходимо, чтобы количества всех белков, входящих в него, были строго равны друг другу. Наши результаты говорят о том, что напрямую от Aim23p зависит биосинтез только одного из трех данных белков, тогда как количества двух других, судя по всему, снижаются уже в ответ на снижение количества первого. Похожая, но более сложная ситуация складывается с теми митохондриальными белками, количество которых в ответ на отсутствие Aim23p увеличивается. Они входят в другой комплекс цепочки биосинтеза АТФ, который состоит из двух частей: "митохондриальной" (все ее компоненты синтезируются в митохондриях) и "цитоплазматической" (все ее компоненты синтезируются в цитоплазме и импортируются в митохондрии после синтеза". Мы показали, что в ответ на отсутствие Aim23p увеличивается количество тех белков-компонентов АТФ-синтазного комплекса, которые закодированы в ядре. Видимо, увеличение количеств митохондриально-закодированных белков происходит уже во вторую очередь, чтобы компенсировать повышенные количества ядерных белков. Возможно, Aim23p сам регулирует экспрессию соответствующих генов в ядре и, таким образом, является редчайшим случаем белка, присутствующего одновременно и в ядре, и в митохондриях. Однако пока что все это лишь предположения, и в дальнейшем мы обязательно постараемся их проверить.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Рибосома - это сложноорганизованный макромолекулярный комплекс, состоящий из РНК и белков и осуществляющий биосинтез белка в любой живой клетке. Рибосома состоит из двух субъединиц, называемых большой и малой. У бактерий, когда одна конкретная рибосома заканчивает биосинтез полипептидной цепочки, она распадается (или диссоциирует) на субъединицы. Для того, чтобы мог начаться процесс биосинтеза другой полипептидной цепочки, рибосома какое-то время должна оставаться в диссоциированном состоянии. За поддержание такого состояния отвечает белок, называемый IF3 (3-й фактор инициации трансляции), который связывается с малой субъединицей рибосомы, запрещая тем самым связывание малой и большой субъединиц (ассоциацию). Как именно происходит диссоциация рибосом на субъединицы, сопровождается ли это какими-либо конформационными изменениями рибосом и имеют ли место промежуточные стадии процесса диссоциации - все это до сих пор остается загадкой. В нашей работе впервые показана возможность промежуточного состояния бактериальных рибосом в процессе их диссоциации на субъединицы. Данная работа, вообще говоря, получилась довольно-таки случайно. Мы занимаемся исследованиями митохондриальной трансляции (в митохондриях также есть рибосомы и вся система биосинтеза белка), и для проверки некоторых наших гипотез нам понадобилось проверить, может ли 3-й фактор инициации трансляции из митохондрий пекарских дрожжей (mtIF3) функционально замещать аналогичный бактериальный фактор (IF3) в клетках кишечной палочки (E.coli). Чтобы проверить это, мы заменили в бактериальном геноме ген IF3 на ген его митохондриального аналога и оценили скорость роста получившихся мутантных бактерий. В принципе, мы ожидали два возможных результата: либо эта скорость роста будет примерно равна таковой для немутантных бактерий (это говорило бы о функциональном замещении чужеродным фактором собственного бактериального белка), либо же она будет равна таковой для бактерий, у которых отсутствует ген IF3, но и нет никакого заменяющего его гена (это говорило бы о невозможности замещения). Однако, как это часто бывает в науке, мы получили третий вариант: наши мутантные бактерии (без IF3, но с mtIF3) росли еще хуже, чем бактерии просто без IF3! Это говорит о том, что митохондриальный фактор трансляции по какой-то причине токсичен для бактериальной клетки. Научное любопытство возобладало над непрофильностью данной задачи для нашей лаборатории, и мы решили разобраться в причинах подобной токсичности. Логично было предположить, что она каким-то образом связана именно с процессом биосинтеза белка, и даже, скорее всего, с процессами диссоциации и ассоциации рибосомных субъединиц (именно в этом заключается основная функция белка IF3). В связи с этим, мы выделили из немутантных бактерий рибосомы, добавили к ним IF3 или mtIF3 и проверили, в каком состоянии рибосомы находятся после этого. При добавлении IF3, как это и должно было происходить, мы не наблюдали целых рибосом - только отдельные большую и малую субъединицы. А вот при добавлении mtIF3 мы зафиксировали структуру, которая, судя по всему, представляет собой рибосому, в которой субъединицы уже начали расходиться друг от друга, но еще не диссоциировали до конца. Подобная структура бактериальных рибосом, несмотря на более чем 40-летнюю историю их изучения, была зарегистрирована впервые в мире. С другой стороны, в нашей работе она была выявлена косвенными биохимическими методами, и чтобы уверенно утверждать, что она существует, необходимы структурные исследования. Такие исследования заключаются в определении положения каждого атома рибосомы относительно некоего начала координат с точностью до нескольких ангстрем, и проводятся они либо посредством рентгено-структурного анализа, либо посредством криоэлектронном микроскопии. Если структурные исследования выявленного нами промежуточного состояния рибосом будут проведены, это может помочь в разработке новых антибиотиков. Существенная часть используемых в медицине антибиотиков действуют именно на бактериальные рибосомы, и, возможно, зная механистические детали процесса диссоциации рибосом на субъединицы, мы сможем разработать антибиотик, который будет связываться с рибосомами и запрещать их диссоциацию.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Митохондрии - "силовые станции" клетки, ответственные за производство АТФ, основной клеточной "энергетической валюты". Основным субстратом для производства энергии является потребляемый почти любым эукариотическим организмом кислород. Для конвертации кислорода в АТФ в митохондриях существует сложная система, основным компонентом которой является так называемая дыхательная цепь - совокупность больших комплексов разнообразных белковых молекул, катализирующих различные реакции данной цепочки конвертации. Однако кислород, помимо своей очевидной пользы, представляет также большую опасность для клетки: при практически любом нарушении нормальной работы дыхательной цепи начинают синтезироваться так называемые активные формы кислорода (АФК; перекись водорода, гидроксильные радикалы и др.). АФК, выходя из митохондрий в цитозоль, приводят к довольно быстрой гибели клетки. Очевидно, у клетки имеется достаточно большое количество механизмов защиты от АФК. В рамках гранта РНФ 17-14-01005 нам удалось описать еще один такой механизм. Наши работы были посвящены белку Aim23p - фактору митохондриальной трансляции. Это очень странный белок. Митохондриальная трансляция (биосинтез белка на матрице РНК) организована по бактериальному типу, и набор факторов этого процесса в целом соответствует таковому у бактерий. Имеется бактериальный "родственник" и у Aim23p. Этот фактор трансляции является абсолютно необходимым для нормального протекания биосинтеза белка и, как следствие, для жизнедеятельности клетки. Однако в митохондриях трансляция может идти и в отсутствие Aim23p, как было показано нами в рамках данного гранта. Конечно, этот процесс идет с некоторыми нарушениями: в отсутствие Aim23p синтез некоторых белков в митохондриях действительно подавляется, но количество некоторых других становится даже больше. Любопытно, что уменьшается количество только тех белков, которые являются компонентами одного конкретного комплекса дыхательной цепи - комплекса IV, или цитохромоксидазы. Таким образом, нормальная работа дыхательной цепи в таких условиях должна быть нарушена, и клетка должна довольно быстро гибнуть вследствие воздействия АФК. Однако мы этого не наблюдали! Сконструированный нами штамм дрожжей, не содержащий белка Aim23p, сначала действительно растет очень медленно, но со временем скорость роста достигает значений для штамма дикого типа, не подвергавшегося никаким изменениям. Это означает, что дрожжевые клетки умеют каким-то образом защищаться от АФК, образующихся из-за нарушений работы дыхательной цепи вследствие отсутствия белка Aim23p. И нам удалось показать, как именно происходит эта защита. Оказалось, что в клетках, в которых нет Aim23p, более чем в 10 раз повышается количество другого белка, Tma19p. Функции этого белка до нашей работы были неизвестны, однако еще 15 лет назад было показано, что в ответ на окислительный стресс (то есть как раз на повышенные количества АФК) этот белок начинает связываться с митохондриальной мембраной. Таким образом, Tma19p - отличный кандидат на роль "защитника" клетки от АФК, образующихся вследствие отсутствия Aim23p. Чтобы это проверить, мы сконструировали еще один штамм дрожжей, в котором отсутствовали сразу и Aim23p, и Tma19p. Оказалось, что такой штамм неспособен адаптироваться со временем к нарушениям работы дыхательной цепи: скорость его роста никогда не достигает значений для штамма дикого типа. Мы добавили в среду роста дрожжей антиоксиданты - специальные вещества, способные "поглощать" АФК и защищать тем самым клетку от их действия. Штамм без Aim23p и Tma19p в присутствии антиоксидантов рос практически так же, как и штамм только без Aim23p, то есть адаптировался со временем. Таким образом, Tma19p действительно оказался способен защищать клетку от действия АФК, продуцируемых вследствие некорректной работы дыхательной цепи, которая, в свою очередь, вызывается отсутствием белка Aim23p и нарушениями процесса митохондриальной трансляции.