Пионерское видение рибосомы

Ада Йонат фундаментально изменила молекулярную биологию, решив атомную структуру рибосомы, клеточной машины, которая переводит генетический код в белки. До ее работы рибосома была черным ящиком — ученые знали, что она синтезирует белки, но не могли видеть, как. Ее кристаллографические достижения выявили точное пространственное расположение рибосомной РНК и белков, обнажая каталитическое сердце трансляции. Эта структурная ясность трансформировала развитие антибиотиков, позволяя исследователям точно понять, как лекарства связываются с бактериальными рибосомами и почему они иногда терпят неудачу. В эпоху, определяемую ростом мультирезистентных патогенов, вклад Йонат обеспечивает как научную основу, так и практический инструментарий для разработки следующего поколения противомикробных препаратов.

Сама рибосома представляет собой массивный молекулярный комплекс, примерно 2,5 мегадалтона в бактериях, состоящий из двух асимметричных субъединиц, состоящих в основном из рибосомной РНК (рРНК) и десятков белков. Она должна связывать мессенджерную РНК (мРНК), передавать РНК (тРНК) и различные факторы удлинения при движении по ступенчатой линии вдоль транскрипта. Эта динамическая природа сделала ее чрезвычайно устойчивой к традиционным методам структурной биологии. Постоянство Йонатха в преодолении этих препятствий дало результаты, которые резонировали в разных дисциплинах, от эволюционной биологии до фармацевтической химии.

Ранняя жизнь и семена научной любознательности

Ада Йонат родилась в 1939 году в районе Геула в Иерусалиме, тогдашней части Британского мандата в Палестине. Её отец, раввин, который управлял небольшим магазином, умер, когда она была молода, оставив свою мать, чтобы поддержать семью посредством черной работы. Несмотря на серьезные финансовые ограничения, мать Йонат поощряла интеллектуальное любопытство и собирала средства на покупку книг, включая копии National Geographic, которые Йонат позже приписывал, чтобы вызвать ее интерес к науке. Она посещала светскую школу и преуспела в математике и химии, хотя она также поглощала глубокую признательность за литературу и философию.

После окончания средней школы Йонат поступила в Еврейский университет Иерусалима по домедицинской программе. Однако она быстро поняла, что ее увлечение заключается не в лечении болезней, а в понимании фундаментальных принципов жизни. Она перешла на химию, получив степень бакалавра в 1962 году и степень магистра в области биохимии в 1964 году. Ее магистерская диссертация по структуре коллагена познакомила ее с новой областью макромолекулярной кристаллографии. Она продолжила работу по получению докторской степени в Институте науки Вейцмана, где она изучала структуру коллагена и других волокнистых белков с использованием рентгеновской дифракции. Работа требовала тщательной подготовки образцов и интуитивного понимания того, как атомы упаковываются в повторяющиеся паттерны — навыки, которые окажутся критическими десятилетия спустя.

После получения степени доктора философии в 1968 году Йонат отправилась в Соединенные Штаты для постдокторской подготовки. Она работала в Массачусетском технологическом институте, а затем в Чикагском университете под руководством нобелевского лауреата Уильяма Н. Липскомба, пионера рентгеновской кристаллографии. Лаборатория Липскомба преподавала свои передовые методы решения сложных молекулярных структур, включая использование производных тяжелых атомов и методов вычислительной фазирования. Этот опыт дал ей техническую уверенность в решении проблем, которые старшие исследователи считали неразрешимыми.

Оригинальное название: The Ribosome: A Molecular Beast

Когда Йонат решила сосредоточиться на рибосоме в начале 1970-х годов, она выбрала цель, которую большинство структурных биологов считали безрассудной. На тот момент самыми крупными молекулами, когда-либо решавшимися рентгеновской кристаллографией, были небольшие белки, такие как миоглобин и лизоцим, каждый из которых был всего в несколько сотен килодалтонов. Рибосома была в несколько сотен раз больше, и она обладала присущей ей гибкостью, которая казалась несовместимой с жестким порядком, необходимым для кристаллографии. Многие старшие ученые прямо говорили ей, что это невозможно.

На пути стояли два фундаментальных препятствия. Во-первых, рибосомы динамичны: они подвергаются существенным конформационным изменениям при движении по мРНК и взаимодействии с молекулами тРНК. Эта гибкость препятствует образованию регулярной кристаллической решетки. Во-вторых, даже если бы кристаллы можно было вырастить, массивный размер рибосомы означал бы, что данные дифракции будут слабыми и трудными для фазирования. Стандартные кристаллографические методы, разработанные для небольших белков, не могли бы просто масштабироваться.

Реакция Йонатха была обычно изобретательной. Она рассуждала, что если бы она могла получать рибосомы от экстремофильных организмов — бактерий, которые процветают в средах с высокой температурой, кислотностью или соленостью — их рибосомные комплексы могли бы быть по своей природе более стабильными. Такие организмы, как Bacillus stearothermophilus и Deinococcus radiodurans обладают рибосомами, которые эволюционировали, чтобы функционировать в суровых условиях, делая их менее склонными к денатурации и конформационному дрейфу. Она также экспериментировала с условиями роста, химическими добавками и температурными протоколами, чтобы уговорить рибосомы в упорядоченные кристаллы.

Инновационные стратегии кристаллизации

Ключевой прорыв произошел, когда Йонат ввел криокристаллографию в поле. Быстро охлаждая кристаллы до криогенных температур (около 100 Кельвинов), она заперла рибосомы в одной стабильной конформации и резко уменьшила радиационное повреждение во время рентгеновского облучения. Этот метод, теперь стандартный в структурной биологии, был революционным в то время. Она также разработала методы замачивания кристаллов в растворах тяжелых атомов для генерации изоморфных данных замены, адаптируя технику, используемую для небольших белков к значительно большей рибосоме.

На протяжении 1980-х годов Йонат и ее команда постепенно улучшали качество кристаллов. Они исследовали сотни условий, различный рН, ионную прочность, тип осадка и температуру с кропотливой итерацией. К концу 1980-х годов они получили первые пригодные для использования кристаллы большой рибосомной субъединицы от Бациллы стеаротермофилус . Ранние дифракционные паттерны были слабыми и ограниченными в разрешении, но они продемонстрировали, что кристаллизация рибосомы больше не была теоретической невозможностью — это была инженерная проблема, которую можно было решить.

Синхротронное излучение: незаменимый инструмент

Йонат также был одним из первых, кто начал использовать источники синхротронного излучения. Интенсивные, настраиваемые рентгеновские лучи, производимые на таких объектах, как Европейский центр синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле, Франция, и Advanced Photon Source (APS) в Аргоннской национальной лаборатории позволили ей собирать значимые данные дифракции из крошечных, слабо дифракционных кристаллов. Синхротронное излучение сократило время воздействия от часов до минут и позволило использовать фазу многоволновой аномальной дисперсии (MAD), метод, который требует точного контроля рентгеновской энергии вблизи краев поглощения. Без этих источников структура рибосом могла бы оставаться нерешенной в течение десятилетий.

Прорывные структуры 2000 года

В августе 2000 года группа Йонатха опубликовала структуру атомного разрешения большой рибосомной субъединицы из Deinococcus radiodurans в журнале Cell. Структура выявила сложную архитектуру, в которой доминирует рибосомная РНК, которая складывается в плотное шаровое ядро, украшенное белковыми элементами, которые стабилизировали общий каркас. В центре лежал центр пептидилтрансферазы (PTC), каталитический сайт, где пептидные связи образуются между аминокислотами. Примечательно, что PTC не содержал белка — он был полностью составлен из РНК, подтверждая, что рибосома является реликтом древнего мира на основе РНК.

В том же году Венкатраман Рамакришнан и его группа решили структуру небольшой рибосомной субъединицы из Thermus thermophilus, а Томас А. Штейц опубликовал свою собственную структуру большой субъединицы из Haloarcula marismortui. Три группы независимо преодолели огромные технические препятствия и предоставили полную атомную картину бактериальной рибосомы. Коллективное достижение широко приветствовалось как веха в молекулярной биологии, сравнимая с определением структуры двойной спирали ДНК полвека назад.

Визуализация перевода с атомной разрешающей способностью

Структуры Йонатха захватывали рибосому в функциональных состояниях. Замачивая антибиотики в кристаллы, она могла точно определить, где связывается каждый препарат и как он искажает геометрию рибосомы. Например, было показано, что макролид эритромицин связывается у входа в выходной туннель пептида, стерически блокируя зарождающуюся полипептидную цепь. Такой точный механистический прозрение было невозможно до того, как существовали атомные структуры.

Работа также пролила свет на процесс декодирования. Небольшая субъединичная структура показала, как взаимодействуют РНК-мессенджер и РНК-переносчик в центре декодирования, где осуществляется мониторинг спаривания оснований Уотсона-Крика между кодоном мРНК и антикодоном тРНК. Мутации, изменяющие этот процесс мониторинга, могут приводить к рибосомальным ошибкам и связаны с определенными фенотипами устойчивости к антибиотикам.

Трансформация исследований антибиотиков

Практическое значение структурной работы Йонатха для медицины невозможно переоценить. Многие из наиболее важных классов антибиотиков — макролиды, тетрациклины, аминогликозиды, оксазолидиноны и плевромутилины — нацелены на бактериальную рибосому. До того, как были доступны атомные структуры, открытие лекарств основывалось на эмпирическом скрининге и косвенных анализах связывания. Ученые знали, что эти препараты ингибируют синтез белка, но они не могли точно понять, как и почему.

Подробные механизмы действий

Структуры высокого разрешения Йонатха предоставили первые подробные представления о взаимодействиях между лекарственными средствами и рибосомами.

  • Макролиды (например, эритромицин, азитромицин) связываются в выходном туннеле пептида, физически блокируя путь растущей полипептидной цепи. Структуры показали, какие именно основания рРНК контактируют с препаратом, объясняя, почему определенные химические модификации усиливают или уменьшают связывание.
  • Тетрациклины (например, доксициклин) связываются с небольшой субъединицей в месте А, мешая размещению тРНК. Структуры выявили сеть водородных связей и укладочных взаимодействий, которые стабилизируют препарат в кармане, образованном рРНК.
  • Аминогликозиды (например, стрептомицин, гентамицин) связываются с центром декодирования малой субъединицы, искажая геометрию, которая обычно обеспечивает точное сопряжение кодона и антикодона. Это искажение заставляет рибосому неправильно понимать мРНК, производя нефункциональные белки, которые убивают клетку.
  • Оксазолидиноны (например, линезолид) связываются с P-сайтом большой субъединицы, мешая позиционированию 3'-конца тРНК. Структуры показали, что линезолид занимает карман вблизи PTC, который перекрывается с сайтом связывания хлорамфеникола.
  • Плеуромутилины (например, лефамулин) связываются с уникальным сайтом в PTC, ингибируя образование пептидных связей напрямую. Работа Йонатха над этими соединениями была критической для понимания их необычного режима связывания.

Критически структуры также объясняли селективность видов. Бактериальные рибосомы отличаются от эукариотических рибосом в конкретных последовательностях РНК и белковых композициях. Структуры показали, что многие антибиотики используют эти различия, плотно связываясь с бактериальной РНК, но плохо с человеческой РНК. Это понимание руководило конструкцией производных, которые поддерживают селективность, избегая механизмов резистентности.

Решение проблемы глобального кризиса сопротивления

Устойчивость к антибиотикам является одной из самых насущных проблем общественного здравоохранения 21-го века. Патогены, такие как устойчивый к метициллину Staphylococcus aureus (MRSA), устойчивый к ванкомицину Enterococcus (VRE) и устойчивый к нескольким лекарствам Mycobacterium tuberculosis , разработали сложные стратегии для уклонения от препаратов, нацеленных на рибосомы. Общие механизмы включают:

  1. Мутация рибосомной РНК или белков, снижающих аффинность связывания с лекарственным средством. Например, мутации в 23S рРНК в положениях A2058 или A2059 (в нумерации Escherichia coli) придают устойчивость к макролидам путем изменения связывающего кармана.
  2. Энзиматическая модификация препарата , такая как ацетилирование, фосфорилирование или аденилирование, которое инактивирует соединение до того, как оно достигнет рибосомы.
  3. Эффлюксные насосы, которые активно экспортируют лекарства из клетки, снижая внутриклеточные концентрации до сублетальных уровней.

Структуры Йонатха позволили рациональному проектированию лекарств преодолеть каждый из этих механизмов. Путем картирования точных поверхностей связывания исследователи могут синтезировать производные, которые поддерживают сродство даже при мутации целевого участка. Например, макролидный солитромицин был разработан для сохранения связывания с рибосомами, несущими общую мутацию A2058G. Тетрациклиновый эравациклин третьего поколения был спроектирован для уклонения от тетрациклин-специфических эффлюксных насосов. Эти подходы, ориентированные на структуру, теперь стандартны в фармацевтической разработке.

Структуры также поддерживают конструкцию агентов узкого спектра, которые нацелены на конкретные патогены, сохраняя при этом полезную микробиоту. Используя тонкие различия между рибосомами различных видов бактерий, исследователи могут разрабатывать препараты, которые эффективны против патогенов, таких как Chlamydia trachomatis или Helicobacter pylori , не нарушая кишечный микробиом. Этот точный подход снижает селективное давление, которое вызывает резистентность.

Нобелевская премия и ее признание

В 2009 году Королевская шведская академия наук совместно присудила Нобелевскую премию по химии Аде Йонат, Венкатраману Рамакришнану и Томасу А. Штейтцу «за исследования структуры и функции рибосомы». Йонат стала первой израильской женщиной, получившей Нобелевскую премию, и четвертой женщиной в истории, получившей Нобелевскую премию по химии, после Марии Кюри (1911), Ирен Жолио-Кюри (1935) и Дороти Ходжкин (1964).

В своей Нобелевской лекции Йонат проследила долгую дугу своих исследований, от раннего скептицизма, с которым она столкнулась, до технических инноваций, которые сделали возможными структуры. Она подчеркнула важность выбора сложной проблемы, необходимость настойчивости через повторяющийся провал и ценность сборки небольшой, преданной команде, которая разделяла ее видение. Лекция сама по себе является документом научного метода, показывающим, как убеждение одного исследователя может перемещать целую область.

В цитировании Нобелевского комитета отмечалось, что три лауреата «показали, как функционирует рибосома на атомном уровне», заложив основу для «антибиотиков, которые могут спасти жизни и уменьшить страдания». С 2009 года Йонат получила множество дополнительных наград, в том числе премию L’Oréal-UNESCO «Для женщин в науке», премию Вольфа в химии и премию Пола Эрлиха и Людвига Дармштедтера. Она имеет почетные докторские степени из университетов по всему миру и является членом нескольких национальных академий, включая Израильскую академию наук и гуманитарных наук и Национальную академию наук США.

Продолжение исследований и длительное наследие

Ада Йонат продолжает руководить Центром биомолекулярной структуры и сборки Киммелмана при Институте науки Вейцмана. Её современные исследования выходят за рамки статических структур, которые принесли ей Нобелевскую премию. Текущие проекты в её лаборатории включают исследование того, как рибосомы взаимодействуют с антибиотиками в нативной клеточной среде, изучение роли рибосомальной гетерогенности в регуляции генов и разработку методов кристаллизации мембранно-ассоциированных рибосомальных комплексов. Она также изучает структурную основу рибосомной спячки и то, как бактериальные клетки защищают свои рибосомы при стрессе.

Возможно, самое прочное наследие Йонатха — методологическое. Она продемонстрировала, что проблемы, считающиеся «невозможными» по научному консенсусу, могут привести к систематическим инновациям и упорному определению. Рибосома была объявлена некристаллизуемой; она кристаллизовала ее. Структуры были слишком большими, чтобы фазировать; она разработала новые стратегии фазирования. Кристаллы были слишком хрупкими; она изобрела криотехники для их сохранения. Каждый из этих методологических достижений был принят более широким сообществом структурной биологии и применен к другим крупным молекулярным комплексам, от сплайсосомы до комплекса ядерных пор.

Последующая революция в криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) сделала рутинной процедуру определения структуры рибосомы, производя почти атомные модели из образцов, которые требуют только микрограммов материала. Тем не менее ранние рентгеновские структуры Йонатха остаются золотым стандартом для проверки; они предоставили опорные рамки, которые должны соответствовать крио-ЭМ-реконструкциям. Эти два метода стали взаимодополняющими, с кристаллографией, обеспечивающей снимки с самым высоким разрешением и крио-ЭМ захват динамических состояний в растворе.

Вдохновляющие ученых и общественность

Йонат также стала видным сторонником научного образования и гендерного равенства в STEM. Она часто выступает с публичными лекциями, которые рассказывают ее личную историю — девочка из семьи, которая выросла, чтобы выиграть Нобелевскую премию — как свидетельство силы любопытства и настойчивости. Она подчеркивает, что научные открытия требуют не только интеллекта, но и готовности потерпеть неудачу и попробовать снова, и что самые важные прорывы часто происходят из-за вопросов, которые другие считают слишком сложными или слишком рискованными.

Она открыто говорила об этической ответственности ученых и политиков за борьбу с устойчивостью к антибиотикам. Она выступает за рациональное использование антибиотиков, более сильное регулирование сельскохозяйственных антибиотиков и увеличение инвестиций в фундаментальные исследования, которые дадут следующее поколение противомикробных препаратов. Ее перспектива несет моральный авторитет, основанный на знании того, что ее собственные фундаментальные исследования непосредственно способствовали спасению жизней.

Когда-то рибосома казалась невероятно сложной. Ада Йонатх смотрела на нее, видела упорядоченную машину и имела упорство, чтобы ее раскрыть. Это открытие спасло бесчисленные жизни с помощью лучших антибиотиков и будет продолжать вдохновлять новые терапевтические стратегии на десятилетия вперед. Ее работа является мощным напоминанием о том, что самые сложные проблемы в науке - те, которые «труднее всего кристаллизоваться» во всех смыслах - являются теми, которые стоит решить.

Дальнейшее чтение и ключевые ссылки

Нобелевская лекция Йонатха, которая предоставляет доступный обзор ее исследования рибосом, доступна на официальном веб-сайте Нобелевской премии . Ее ориентир 2000 Cell , статья о большой структуре рибосомных субъединиц остается важным чтением. Для более широкого обзора антибиотиков, нацеленных на рибосомы, и механизмов резистентности статья «Рибосомные антибиотики: молекулярная основа резистентности и новые подходы» в Nature Reviews Microbiology является отличным ресурсом. Подробный отчет о ее стратегиях кристаллизации можно найти в ее главе в Ежегодный обзор биохимии . Для обзора свободного доступа к истории определения структуры рибосомы статья, доступная через PubMed Central, обеспечивает всеобъемлющий охват.