20 с лишним лет назад, когда Гершко и Чехановер задались этим вопросом, в печати ежегодно появлялось несколько сот статей, посвященных синтезу белков, и считанные статьи на тему об их своевременном удалении. Иными словами, механизм удаления нежелательных клеточных белков был мало кому интересен. Заметим, что речь шла именно об удалении клеточных белков, потому что методы разрушения белков внеклеточных, например, тех, что поступают в организм с пишей, были изучены достаточно хорошо. И было известно, что они разрушаются без затраты энергии, что не удивительно, так как обратный процесс — синтез белка — как раз требует энергии: для образования связей между отдельными звеньями белковой молекулы нужно отщепить от них молекулы воды, а это — энергоемкий процесс. Казалось бы, клеточные белки тоже должны разрушаться без затраты энергии, но первые же исследования показали, что это не так: оказалось, что расщепление клеточных белков не идет в отсутствии молекул так называемых АТФ — главных поставщиков энергии везде, где она требуется для какого-то биологического процесса. Налицо была загадка, и Гершко с Чехановером нацелились ее разгадать.
В 1978 году они сумели показать, что в этом экстракте присутствует какой-то устойчивый и активный белок, который играет главную роль в разрушении других белков, подлежащих изъятию из внутриклеточного обращения. Вскоре выяснилось, что белок этот — давно известный убиквитин. Он называется убиквитином, потому что встречается во многих видах тканей и органов (ubique по-латыни — вездесущий) и потому достаточно хорошо изучен. Возникла мысль, что именно присоединение убиквитина к нежелательному белку каким-то образом влечет за собой растепление, деградацию этого белка. Но каким?
В прорыв ринулись десятки новых исследователей, статьи на эту тему стали ежегодно появляться сотнями (сегодня уже тысячами), и вскоре главные этапы поразительного процесса были выяснены во всех деталях.
Он состоит из трех этапов. На первом этапе фермент Е1 активирует убиквитин — грубо говоря, готовит его к предстоящей работе. Эта подготовка состоит в том, что одно звено на конце убиквитиновой молекулы выдвигается в поисках нужного белка. На втором этапе фермент ЕЗ распознает, какой белок нужно расщепить. Наконец, на третьем этапе фермент Е2, получив энергию от АТФ, соединяет выдвинутое звено убиквитина с одним из звеньев намеченного к расщеплению белка. В таком виде комплекс "белок — убиквитин" распознается особой органеллой клетки — так называемой протеазомой. Тут-то и происходит желаемое расщепление белка.
Протеазом в клетке — порядка 30 тысяч. Все они предназначены природой для расшепления белка. Но если бы все было так просто, то любой белок, случайно попавший в "пасть" протеазомы, изымался бы из обращения, в том числе и нужный. Чтобы этого не происходило, "пасть" закрыта на замок и открывается только по специальному сигналу. Сигналом этим (что и установили Гершко, Чехановер и Роуз) как раз и является наличие на белке цепи молекул убиквитина. Эта цепь играет роль метки на белке, опознавательного знака для протеазомы: открыть пасть! Сезам, откройся! Сезам открывается и делает свое грязное, но жизненно важное дело: отщепляет убиквитиновую цепь от белка, а сам белок втягивает внутрь себя и расщепляет до неузнаваемости на небольшие фрагменты.
Если бы даже открытие Гершко — Чехановера — Роуза этим исчерпывалось, этого тоже было бы за глаза достаточно для Нобелевской премии. Но с тех пор, как эти пионеры в середине 1980-х годов отошли от исследований убиквитина, их дело продолжили другие, и за истекшие 20 лет накопились факты, показывающие, что описанный процесс жизненно необходим для всего цикла нормального функционирования и репродукции клетки. Приведу лишь несколько новейших примеров.
Самоопыление у растений ведет к постепенному спаду их генетического разнообразия, что влечет за собой вымирание целых видов. Оказалось, что растительные клетки используют убиквитин для уничтожения белков собственного семени, тем самым препятствуя самоопылению.
Убиквитин важен и для нормальной работы иммунной системы. В иммунных клетках есть белок-транскриптор, который управляет многими генами, необходимыми для иммунного ответа на вторжение вируса. Обычно этот белок подавлен другим белком, ингибитором. Но, как правило, появление вируса ведет к активизации убиквитина, который уничтожает этот ингибитор, и освободившийся транскриптор берется за дело иммунного ответа.