Исследуя структурную организацию полирибосом с Александром Спириным

1 Centre for Integrative Biology (CBI), Department of Integrated Structural Biology, IGBMC (Institute of Genetics and of Molecular and Cellular Biology), 67404 Illkirch, France

2 Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) UMR 7104, 67404 Illkirch, France

3 Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM) U964, 67404 Illkirch, France

4 Université de Strasbourg, 67081 Strasbourg, France

Поступила в редакцию 20.05.2021
После доработки 20.05.2021
Принята к публикации 06.06.2021

DOI: 10.31857/S0320972521090037

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: полирибосомы, полисомы, эукариотические рибосомы, криоэлектронная микроскопия, криоэлектронная томография.

Аннотация

«Возможно ли исследовать молекулярные механизмы и структурную организацию полирибосомных комплексов, используя криоэлектронную томографию?» – этим вопросом мы задавались на протяжении всего многолетнего сотрудничества между моей научной группой и командой Александра Сергеевича Спирина. И действительно, это оказалось возможным. Мы обнаружили, что двурядные полисомы могут иметь и циркулярную, и линейную конфигурацию мРНК (Afonina Z.A., et al. (2013) Biochemistry (Moscow)); выяснили, как эукариотические рибосомы образуют на мРНК супрамолекулярные левозакрученные спирали (Myasnikov A.G., et al. (2014) Nat. Commun.); продемонстрировали, что циркуляризация полирибосом происходит независимо от поли(A)-последовательности и кэп-структуры (Afonina Z.A., et al. (2014) Nucleic Acids Res.); показали, что существуют промежуточные полирибосомы с открытыми структурами, представляющие переход из ювенильной фазы к формированию активно транслирующих полисом среднего размера (Afonina Z.A., et al. (2015) Nucleic Acids Res.), впоследствии переходящих в форму плотно упакованных спиральных структур со снижением активности. Таким образом, наши совместные плодотворные исследования привели к значительным достижениям в этой области, которые будут рассмотрены в этой статье с личной и исторической точки зрения в память об Александре Сергеевиче Спирине.

Текст статьи

Финансирование

Я подтверждаю полученную поддержку от следующих структур: Centre National pour la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National pour la Recherche Médicale (Inserm), Association pour la Recherche sur le Cancer (ARC), Institut National du Cancer (INCa), the Fondation pour la Recherche Médicale (FRM), Ligue nationale contre le cancer (Ligue), Agence National pour la Recherche (ANR) и USIAS Страсбургского университета (USIAS-2018-012). Работа отдела электронной микроскопии была поддержана такими структурами как Région Grand Est, French Infrastructure for Integrated Structural Biology (FRISBI) и Instruct-ERIC.

Благодарности

Я благодарен за поддержку бывшим и настоящим членам моей исследовательской группы в CBI/IGBMC и членам платформы интегрированной структурной биологии в CBI/IGBMC.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов, выполненных автором.

Список литературы

1. Warner, J. R., Rich, A., and Hall, C. E. (1962) Electron microscope studies of ribosomal clusters synthesizing hemoglobin, Science, 138, 1399-1403, doi: 10.1126/science.138.3548.1399.

2. Warner, J. R., Knopf, P. M., and Rich, A. (1963) A multiple ribosomal structure in protein synthesis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 49, 122-129, doi: 10.1073/pnas.49.1.122.

3. Wooding, F. B. (1968) Ribosome helices in mature cells, J. Ultrastruct. Res., 24, 157-164, doi: 10.1016/S0022-5320(68)80025-5.

4. Kopeina, G. S., Afonina, Zh. A., Gromova, K. V., Shirokov, V. A., Vasiliev, V. D., and Spirin, A. S. (2008) Step-wise formation of eukaryotic double-row polyribosomes and circular translation of polysomal mRNA, Nucleic Acids Res., 36, 2476-2488, doi: 10.1093/nar/gkm1177.

5. Medalia, O., Weber, I., Frangakis, A. S., Nicastro, D., Gerisch, G., Baumeister, W. (2002) Macromolecular architecture in eukaryotic cells visualized by cryoelectron tomography, Science, 298, 1209-1213, doi: 10.1126/science.1076184.

6. Spirin, A. S., Baranov, V. I., Ryabova, L. A., Ovodov, S., Alakhov, Y. B. (1988) A continuous cell-free translation system capable of producing polypeptides in high yield, Science, 242, 1162-1164, doi: 10.1126/science.3055301.

7. Shirokov, V. A., Kommer, A. A., Kolb, V. A., and Spirin, A. S. (2007) Continuous-exchange protein-synthesizing systems, in Methods in Molecular Biology, In vitro Transcription and Translation Protocols (Grandi, G., ed.) Humana Press Inc., Totowa, NJ, 375, pp. 19-55, doi: 10.1007/978-1-59745-388-2_2.

8. Myasnikov, A. G., Afonina, Z., and Klaholz, B. P. (2013) Single particle and molecular assembly analysis of polyribosomes by single- and double-tilt cryo electron tomography, Ultramicroscopy, 126, 33-39, doi: 10.1016/j.ultramic.2012.12.009.

9. Afonina, Z. A., Myasnikov, A. G., Khabibullina, N. F., Belorusova, A. Yu., Ménétret, J.-F., et al. (2013) Topology of mRNA chain in isolated eukaryotic double-row polyribosomes, Biochemistry (Moscow), 78, 445-454, doi: 10.1134/S0006297913050027.

10. Myasnikov, A. G., Afonina, Z. A., Ménétret, J.-F., Shirokov, V. A., Spirin, A. S., and Klaholz, B. P. (2014) The molecular structure of the left-handed supra-molecular helix of eukaryotic polyribosomes, Nat. Commun., 5, 5294, doi: 10.1038/ncomms6294.

11. Orlov, I., Myasnikov, A. G., Andronov, L., Natchiar, S. K., Khatter, H., et al. (2017) The integrative role of cryo electron microscopy in molecular and cellular structural biology, Biol. Cell, 109, 81-93, doi: 10.1111/boc.201600042.

12. Afonina, Z. A., Myasnikov, A. G., Shirokov, V. A., Klaholz, B. P., Spirin, A. S. (2014) Formation of circular polyribosomes on eukaryotic mRNA without cap-structure and poly(A)-tail: a cryo electron tomography study, Nucleic Acids Res., 42, 9461-9469, doi: 10.1093/nar/gku599.

13. Afonina, Z. A., Myasnikov, A. G., Shirokov, V. A., Klaholz, B. P., and Spirin, A. S. (2015) Conformation transitions of eukaryotic polyribosomes during multi-round translation, Nucleic Acids Res., 43, 618-628, doi: 10.1093/nar/gku1270.

14. Ortiz, J. O., Förster, F., Kürner, J., Linaroudis, A. A., and Baumeister, W. (2006) Mapping 70S ribosomes in intact cells by cryo electron tomography and pattern recognition, J. Struct. Biol., 156, 334-341, doi: 10.1016/j.jsb.2006.04.014.

15. Brandt, F., Carlson, L. A., Hartl, F. U., Baumeister, W., Grünewald, K. (2010) The three-dimensional organization of polyribosomes in intact human cells, Mol. Cell, 39, 560-569, doi: 10.1016/j.molcel.2010.08.003.

16. Brandt, F., Etchells, S. A., Ortiz, J. O., Elcock, A. H., Hartl, U., and Baumeister, W. (2009) The native 3D organization of bacterial polysomes, Cell, 136, 261-271, doi: 10.1016/j.cell.2008.11.016.

17. Simonetti, A., Marzi, S., Myasnikov, A. G., Ménétret, J.-F., and Klaholz, B. P. (2011) Insights into translation initiation and termination complexes and into the polysome architecture, in Ribosomes (Rodnina, M. V., Wintermeyer, W., and Green, R., eds.) Springer, Vienna, doi: 10.1007/978-3-7091-0215-2_10.

18. Ménétret, J.-F., Khatter, H., Simonetti, A., Orlov, I., Myasnikov, A. G., et al. (2013) Integrative structure–function analysis of large nucleoprotein complexes, in RNA Structure and Folding (Klostermeier, D., and Hammann, C., eds.), doi: 10.1515/9783110284959.

19. Klaholz, B. P. (2019) Deriving and refining atomic models in crystallography and cryo-EM: the latest Phenix tools to facilitate structure analysis, Acta Cryst., D75, 878-881, doi: 10.1107/S2059798319013391.

20. Tegunov, D., Xue, L., Dienemann, C., Cramer, P., and Mahamid, J. (2021) Multi-particle cryo-EM refinement with M visualizes ribosome-antibiotic complex at 3.5 Å in cells, Nat. Methods, 18, 186-193, doi: 10.1038/s41592-020-01054-7.