Ученые впервые увидели, как внутри человеческих клеток собираются рибосомы
Исследователи Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) впервые проследили, как внутри неповрежденных человеческих клеток формируются рибосомы — молекулярные комплексы, которые производят белки. Для этого они объединили два метода микроскопии и получили трехмерные изображения десятков промежуточных этапов сборки. Результаты опубликованы в журнале Science.
Как заглянуть внутрь клеточной «фабрики»
Рибосомы собираются в ядрышке — плотной структуре внутри клеточного ядра. Раньше исследователям приходилось извлекать незрелые рибосомы из клеток, чтобы изучать их строение. При этом временные связи между молекулярными компонентами могли разрушаться, и ученые теряли часть информации о том, как именно происходит сборка.
На этот раз команда использовала криоэлектронную томографию (крио-ЭТ) и корреляционную световую и электронную микроскопию (CLEM). Сначала клетки быстро замораживали, затем нарезали на тонкие слои. Полученные изображения позволяли восстановить трехмерную структуру отдельных участков клетки.
Найти нужную область помогла флуоресцентная микроскопия. Исследователи пометили компоненты ядрышка специальными метками, которые светились при освещении. Так они определяли, где именно нужно получить детальные электронные снимки.
Для совмещения изображений ученые использовали жировые капли, заметные при обоих видах микроскопии. Их оказалось слишком мало в тонких срезах, поэтому клетки дополнительно обработали олеиновой кислотой, стимулирующей образование таких капель.
«Криоэлектронная томография позволила нам наблюдать предшественники рибосом не после извлечения из клеток, а непосредственно внутри ядрышек», — объяснил первый автор работы Сяохань Чжао.
Десятки этапов сборки в трехмерных изображениях
Обработав более 300 томографических изображений, исследователи получили структуры двух важных предшественников рибосом — SSU processome и pre-60S. Их разрешение составило 8,2 и 6,9 ангстрема соответственно. Этого недостаточно, чтобы рассмотреть отдельные атомы, но уже можно различить элементы строения белков и РНК.
Наблюдения подтвердили некоторые механизмы сборки, известные по предыдущим исследованиям, и выявили новые молекулярные взаимодействия. Например, один белок, который, как считалось, подключается только на поздней стадии, оказался связан с предшественником рибосомы гораздо раньше. Это меняет представление о последовательности событий при сборке.
Команда также изучила, что происходит при остановке работы РНК-полимеразы I — фермента, который запускает производство рибосомной РНК. Уже через час состав формирующихся частиц заметно изменился, а один из предшественников исчез из ядрышка.
Оказалось, что две части рибосомы собираются с разной скоростью. Малая субъединица формируется менее чем за час, тогда как большой требуется больше времени. Возможно, процессы регулируются разными механизмами.
Сборка не идет по прямой линии
Исследователи проверили и распространенное представление о том, что незрелые рибосомы постепенно перемещаются от центра ядрышка к его краю, созревая по пути. Однако степень зрелости частиц не совпадала с их расположением. Ученые предполагают, что в ядрышке может быть несколько центров сборки, а процессы созревания в них частично перекрываются.
Пока полученные изображения представляют собой отдельные «кадры», а не непрерывную запись процесса. Самые ранние промежуточные структуры слишком малы, чтобы их можно было различить с помощью нынешнего метода.
В дальнейшем команда планирует изучить, как готовые частицы перемещаются из ядрышка и клеточного ядра. Разработанный подход также может помочь исследовать другие крупные молекулярные комплексы внутри клеток.
