БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 8, с. 1102 - 1104

ВЗГЛЯДЫ АЛЕКСАНДРА СПИРИНА НА РИБОСОМУ

КАК ТЕПЛОВОЙ ХРАПОВИК

J. Frank

Department of Biochemistry and Molecular Biophysics, Columbia University Medical Center,

New York, NY 10032, USA

Поступила в редакцию 13.05.2021

После доработки 13.05.2021

Принята к публикации 13.05.2021

DOI: 10.31857/S0320972521080030

Александр Спирин был настоящим провид

тория о том, как детали этого процесса стали из

цем в области изучения рибосом. Среди его

вестны позже, красноречиво описанная Хора

многочисленных вкладов в изучение близкого

ном и Ноллером четыре десятилетия спустя [4].

моему сердцу процесса трансляции есть один,

Спирин продолжил развивать свои идеи о меха

который я хотел бы особо выделить: мРНК

низмах транслокации, в то время как Бретчер

тРНК транслокация. Это этап в рабочем цикле

выбрал другое направление исследований.

рибосомы, в котором происходит продвижение

Здесь мне хотелось бы упомянуть о том, что

молекулы мРНК вместе со связанной с ней

в 1968 году я только что пришёл в лабораторию

тРНК на расстояние одного кодона. Данный

Вальтера Хоппе в качестве аспиранта, имевше

этап, в отличие от других шагов цикла, сопро

го базовые знания в области физики, без каких

вождается очень большими конформационны

либо знаний по биологии, не говоря уже о за

ми изменениями, приводящими к вращению

гадках рибосомы. Вместо этого я начал думать о

субъединиц рибосомы относительно друг друга

способах обработки изображений, получаемых

по принципу храповика. Ещё задолго до того,

с помощью электронного микроскопа, и о спо

как были изучены детали структуры рибосомы,

собах реконструкции молекул, не полагаясь на

Спирин [1, 2] и Марк Бретчер [3] независимо

то, что они могут быть упорядочены в кристал

друг от друга выдвинули предположение о том,

ле. Этот подход, предложенный в 1975 году [5],

что процесс транслокации включает в себя дви

приобрёл важное значение при изучении моле

жение двух её субъединиц относительно друг

кул, которые действуют как молекулярные ма

друга. Тем самым они объяснили саму суть двух

шины и постоянно претерпевают конформаци

субъединичной архитектуры рибосомы, поддер

онные изменения.

живаемой на протяжении 3,5 миллиардов лет

Лишь спустя 25 лет после появления первой

эволюции. Хотя вращение в явном виде не упо

концепции нам в моей лаборатории удалось по

миналось ни в одной из их ранних работ, Брет

лучить первые структурные доказательства меж

чер писал, что он предложил гибридную модель

субъединичного движения с использованием

транслокации, которая «предполагает некото

криоэлектронной микроскопии одиночных

рое относительное движение двух субъединиц

макромолекул [6]. К тому времени этот новый

рибосомы, обусловленное существованием двух

метод изучения структуры был в достаточной

разделяемых частиц, образующих 70S рибосо

степени разработан, чтобы можно было деталь

му», а Спирин аналогичным образом предполо

но исследовать архитектуру рибосом, вплоть до

жил, что «периодическое размыкание и смыка

описания подвижных доменов субъединиц и

ние субчастиц рибосомы является движущим

определения расположения межсубъединичных

механизмом, обеспечивающим смещение

мостиков. Также к тому времени в лаборатории

(транслокацию) тРНК, мРНК и синтезируемого

Гарри Ноллера была экспериментально под

рибосомой пептида во время трансляции». Та

тверждена гибридная модель Бретчера, в кото

кое озарение двух учёных, работавших незави

рой он постулировал существование промежу

симо друг от друга и опиравшихся на скудную

точного этапа во время транслокации [7].

структурную информацию, доступную им в то

В двух словах, полученные нами результаты

время, весьма примечательно. Так же, как и ис

криоэлектронной микроскопии были следую

1102

РИБОСОМА КАК ТЕПЛОВОЙ ХРАПОВИК

1103

ние идеи о том, что рибосома представляет со

бой Броуновский тепловой храповик, можно

увидеть в его раннем открытии «нефермента

тивной транслокации», стимулируемой пара

хлормеркурбензоатом [9]. Это означает, что сме

щение, необходимое для транслокации, по всей

видимости, может достигаться только за счёт

теплового движения субъединиц.

И снова Спирин значительно опередил свое

время, поскольку доказательства теплового дви

жения субъединиц относительно друг друга бу

дут получены не ранее, чем спустя пять лет (учи

тывая статью в журнале «FEBS Letters», опубли

кованную в 2002 г. [8]), с помощью FRET спект

роскопии (FRET в растворе) в лаборатории

Ноллера [10], а позднее - с помощью FRET

спектроскопии одиночных макромолекул в ла

бораториях Рубена Гонзалеса [11] и Такжепа

Ха [12]. Наконец, исследования структуры ри

босом с помощью криоэлектронной микроско

пии подтвердили, что в состоянии теплового

равновесия претранслокационные рибосомы

существуют по крайней мере в трёх конформа

ционных состояниях, связанных с храповидным

межсубъединичным движением, включая про

межуточную конформацию [13], как это было

предсказано гибридной моделью и исследова

ниями с использованием FRET спектроскопии.

Наиболее исчерпывающе взгляды Спирина

на механизм транслокации, основанные на дан

ных, накопленных к тому времени, изложены в

статье в «J. Biol. Chem.» (2009) [14] и в главе кни

ги, которая по моему приглашению была напи

сана им совместно с Алексеем Финкельштей

ном [15]. С тех пор было выполнено много ис

А.С. Спирин и Иоахим Франк. Пущино. Сентябрь 2011 года

следований, посвящённых деталям атомарной

структуры рибосомы, которые способствовали

нашему пониманию механизма транслока

щими: сравнение рибосомы, связанной с ГТФ

ции [16]. Но для меня получение с помощью

формой фактора элонгации EF G, с рибосомой,

структурных методов и FRET спектроскопии

связанной с его ГДФ формой, показало, что

доказательств гипотезы, предложенной благода

межсубъединичное вращение происходит при

ря гениальной интуиции Спирина о транслока

мерно на семь градусов, вызывая смещение А

ции мРНК тРНК, универсального процесса, ле

сайтов 30S и 50S субъединиц, соответствующее

жащего в основе жизни, является одной из вели

продвижению мРНК на один кодон. Спирин от

чайших историй в науке, и я рад, что был её

метил экспериментальное подтверждение своих

участником.

ранних идей в мини обзоре, опубликованном в

журнале «FEBS Letters» [8]. В этой статье он

впервые представил концепцию рибосомы как

Финансирование. Эта работа была поддержа

молекулярной машины: «Предполагается, что в

на грантом № 1R35 GM139453 Национального

основе всех направленных движений внутри ри

Института Здоровья, предоставленного Иоахи

босомного комплекса лежат не механические

му Франку.

механизмы передачи и “моторики” силового

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсут

удара, а вызванные тепловым движением и хи

ствии конфликта интересов.

мически индуцированные изменения сродства

Соблюдение этических норм. Настоящая

сайтов связывания рибосомы с её лигандами

статья не содержит описания каких либо иссле

(тРНК, мРНК, факторам элонгации)». Зарожде

дований с участием людей или животных в каче

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021

1104

FRANK

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

стве объектов.

0014 5793(71)80177 1.

Spirin, A. S. (1968). On the ribosome working mechanism:

10. Ermolenko, D. N., Majumdar, Z. K., Hickerson, R. P.,

Hypothesis of locking unlocking of subunits [In Russian],

Spiegel, P. C., Clegg, R. M., and Noller, H. F. (2007)

Dokl. Akad. Nauk. SSSR, 179, 1467 1470.

Observation of intersubunit movement of the ribosome in

Spirin, A. S. (1968). How does the ribosome work? A

solution using FRET, J. Mol. Biol., 370, 530540,

hypothesis based on the two subunit construction of the

doi: 10.1016/j.jmb.2007.04.042.

ribosome, Curr. Mod. Biol., 2, 115 127, doi: 10.1016/0303

11. Fei, J., Kosuri, P., MacDougall, D. D., and Gonzalez, Jr.,

2647(68)90017 8.

R. L. (2008) Coupling of ribosomal L1 stalk and tRNA

Bretscher, M. S. (1968) Translocation in protein synthesis:

dynamics during translation elongation, Mol. Cell, 30, 348

a hybrid structure model, Nature,

218,

675677,

359, doi: 10.1016/j.molcel.2008.03.012.

doi: 10.1038/218675a0.

12. Cornish, P. V., Ermolenko, D. N., Noller, H. F., and Ha, T.

Horan, L. H., and Noller, H. F. (2007) Intersubunit move

(2008) Spontaneous intersubunit rotation in single ribo

ment is required for ribosomal translocation, Proc. Natl.

somes, Mol. Cell, 30, 578 588, doi: 10.1016/j.molcel.

Acad. Sci. USA, 104, 48814885, doi: 10.1073/pnas.

2008.05.004.

0700762104.

13. Agirrezabala, X., Liao, H., Schreiner, E., Fu, J., Ortiz

Frank, J. (1975) Averaging of low exposure electron micro

Meoz, R. F., et al. (2012) Structural characterization of

graphs of non periodic objects, Ultramicroscopy, 1, 159

mRNA tRNA translocation intermediates, Proc. Natl.

162, doi: 10.1016/s0304 3991(75)80020 9.

Acad. Sci. USA, 109, 60946099, doi: 10.1073/pnas.

Frank, J., and Agrawal, R. K. (2000) A ratchet like inter

1201288109.

subunit reorganization of the ribosome during transloca

14. Spirin, A. S. (2009) The ribosome as a conveying thermal

tion, Nature, 406, 318 322, doi: 10.1038/35018597.

ratchet machine, J. Biol. Chem., 284, 2110321119,

Moazed, D., and Noller, H. (1989) Intermediate states in

doi: 10.1074/jbc.X109.001552.

the movement of transfer RNA in the ribosome, Nature,

15. Spirin, A. S., and Finkelstein, A. V. (2011) The ribosome as

342, 142 148, doi: 10.1038/342142a0.

a Brownian ratchet machine, in Molecular Machines in

Spirin, A. (2002) Ribosome as a molecular machine, FEBS

Biology (Frank, J., ed.) Cambridge Univ. Press, Cambridge,

Lett., 514, 2 10, doi: 10.1016/s0014 5793(02)02309 8.

pp. 158 190, doi: 10.1017/CBO9781139003704.011.

Gavrilova, L. P., and Spirin, A. (1971) Stimulation of

16. Frank, J. (2017) The translation elongation cycle captur

“non enzymic” translocation in ribosomes by p chloro

ing multiple states by cryo electron microscopy, Philos.

mercuribenzoate, FEBS Lett., 17, 324 326, doi: 10.1016/

Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 372,

20160180,

БИОХИМИЯ том 86 вып. 8 2021