The conserved β-hairpin of the SUI1 domain is a dual-function structural module governing translation initiation and ribosome recycling in yeast

All'interno di ogni cellula vivente, una macchina microscopica chiamata ribosoma legge le istruzioni genetiche per costruire le proteine, i motori che mantengono in funzione la vita. Questo processo, noto come traduzione, non è un singolo evento continuo ma una serie di passaggi precisi. Una volta che il ribosoma finisce di leggere un blocco di istruzioni specifico, deve lasciare il messaggio e resettarsi per ricominciare. Nella maggior parte dei casi, il ribosoma rilascia le sue parti e lascia interamente il messaggio. Tuttavia, alcuni messaggi genetici contengono brevi istruzioni preliminari prima di quella principale. Quando il ribosoma termina queste brevi sezioni preliminari, a volte rimane attaccato al messaggio e inizia immediatamente a leggere la parte successiva. Questa capacità di riavviare senza lasciare il messaggio è chiamata riiniziazione, ed è un modo cruciale con cui le cellule regolano la quantità di proteine che producono. Se questo meccanismo di reset fallisce, il ribosoma potrebbe rimanere bloccato o iniziare a leggere nel posto sbagliato, creando potenzialmente proteine dannose.

Gli scienziati sanno da tempo che sono necessari specifici proteine ausiliarie per gestire questo processo di reset. Nel lievito, un organismo semplice spesso usato per studiare la biologia umana, una coppia di proteine ausiliarie chiamate Tma20p e Tma22p lavorano insieme per garantire che i ribosomi riciclino correttamente. Queste proteine condividono una forma strutturale con un'altra proteina molto nota chiamata eIF1, che aiuta a iniziare il primissimo passaggio della lettura delle istruzioni genetiche. Poiché appaiono così simili, i ricercatori si sono chiesti se la coppia Tma20p e Tma22p si limitasse a copiare il lavoro della proteina di avvio o se avesse evoluto un ruolo unico per il riciclo. Uno studio recente condotto da Ksenya Zamyatnina e dal suo team presso istituti di ricerca russi ha ora risposto a questa domanda, rivelando esattamente come lavorano queste proteine e cosa succede quando le loro parti specifiche vengono danneggiate.

Per comprendere il compito di queste proteine, i ricercatori hanno costruito un sistema di test personalizzato all'interno di cellule di lievito. Hanno creato messaggi genetici che fungevano da rapporto in due parti. La prima parte era una breve istruzione facile da leggere che il ribosoma avrebbe terminato rapidamente. La seconda parte era un'istruzione più lunga che il ribosoma leggerebbe solo se fosse riuscito a resettarsi e a rimanere sul messaggio dopo aver terminato la prima parte. Misurando quanto spesso il ribosoma si spostava con successo dalla prima alla seconda parte, il team poteva calcolare l'efficienza del processo di riciclo. Hanno testato questo sistema in cellule di lievito in cui avevano rimosso una o più delle proteine ausiliarie per vedere come cambiava il processo di riciclo.

Il team ha prima confrontato i ruoli delle diverse proteine ausiliarie disponibili nel lievito. Hanno scoperto che la coppia di proteine, Tma20p e Tma22p, svolge il ruolo dominante nel impedire ai ribosomi di riavviare troppo facilmente. Quando entrambe erano assenti, i ribosomi riavviavano troppo spesso, indicando un fallimento nel processo di riciclo. Una terza proteina ausiliaria, Tma64p, giocava anch'essa un ruolo, ma il suo effetto era molto più piccolo. I ricercatori hanno scoperto che la coppia Tma20p e Tma22p era molto più importante di Tma64p nel controllare questo processo, sia che il ribosoma stesse riavviando dopo un'istruzione breve o dopo una lunga.

Lo studio si è poi concentrato sulla forma specifica della proteina Tma22p. Questa proteina possiede una distinta struttura a forma di anello composta da particelle cariche, che appare molto simile a una parte della proteina di avvio eIF1. I ricercatori hanno creato versioni della proteina Tma22p in cui hanno rimosso o alterato questo specifico anello. Quando hanno modificato le particelle cariche in questo anello, la proteina ha perso completamente la sua capacità di aiutare il riciclo dei ribosomi. I ribosomi in queste cellule si comportavano come se la proteina ausiliaria fosse totalmente assente, riavviando con troppa frequenza. Ciò ha dimostrato che questo specifico anello è essenziale per la funzione della proteina.

Sorprendentemente, quando i ricercatori hanno rimosso l'intera struttura ad anello dalla proteina, il risultato è stato diverso. Invece di un fallimento totale della proteina, le cellule di lievito erano ancora in grado di riciclare i ribosomi ragionevolmente bene. Ciò ha suggerito che un'altra proteina nella cellula, probabilmente la proteina di avvio eIF1, potesse intervenire e subentrare nel lavoro quando la proteina ausiliaria principale mancava del suo anello. Per testare questa idea, il team ha creato una proteina ibrida. Hanno preso la parte anteriore dell'ausiliaria Tma22p e vi hanno attaccato l'anello della proteina di avvio eIF1. Quando hanno inserito questa proteina ibrida nelle cellule che mancavano della naturale Tma22p, essa ha parzialmente ripristinato la capacità di riciclare i ribosomi. Ciò ha confermato che la proteina di avvio e la proteina ausiliaria per il riciclo possono scambiare parti e continuare a funzionare, suggerendo che siano evolute da un antenato comune per svolgere compiti diversi ma correlati.

Le scoperte chiariscono un dibattito di lunga data su come queste proteine funzionino in diversi organismi. Nel lievito, la coppia Tma20p e Tma22p agisce principalmente per impedire ai ribosomi di riavviare, assicurando che lascino il messaggio per essere riutilizzato altrove. Negli esseri umani, si è pensato che proteine simili aiutino i ribosomi a riavviare, ma questo studio suggerisce che il meccanismo fondamentale di utilizzo di una forma strutturale condivisa per gestire il movimento dei ribosomi sia conservato. La ricerca evidenzia che l'anello carico sulla proteina Tma22p è l'interruttore critico per il suo compito. Senza di esso, il processo di riciclo si interrompe, portando a errori nella produzione proteica. Questa intuizione aiuta a spiegare come le cellule mantengano l'ordine durante la sintesi proteica e fornisce un quadro più chiaro di come le mutazioni genetiche in queste regioni possano portare a malattie, poiché proteine simili negli esseri umani sono collegate a disturbi neurologici. Il lavoro dimostra che, sebbene l'evoluzione abbia creato strumenti specializzati per diverse fasi del processo, essi condividono comunque un progetto comune che può essere scambiato e adattato nelle giuste condizioni.