Исследовательская группа открыла новое понимание того, как молекулы РНК действуют как клеточные "биосенсоры" для мониторинга и реагирования на изменения в окружающей среде путем контроля экспрессии генов. Полученные результаты могут повлиять на разработку будущей РНК-специфической терапии, а также новых инструментов синтетической биологии, которые измеряют присутствие токсинов в окружающей среде.
Молекулы РНК играют ключевую роль в хранении и распространении генетической информации, такой как ДНК, а также выполняют критически важные для живых систем функции, такие как белки. В основе его функции лежит способность претерпевать складывание в замысловатые формы внутри клетки в стиле оригами.
Используя высокопроизводительную технологию секвенирования следующего поколения, разработанную в его лаборатории, которая позволяет получить химическое изображение складывающихся динамических форм РНК, ученые обнаружили сходство в тенденциях фальцовки в семействе молекул РНК, называемых рибосвитчами. Ребосенсоры служат естественными биосенсорами для контроля за внутренним и внешним состоянием клеток. Когда рибосвитч связывается с молекулой, он меняет свою форму, вызывая изменения в экспрессии генов.
"Эти рибосвитчеры эволюционировали, чтобы складываться в очень специфические формы, чтобы они могли распознавать другие соединения, изменять свою форму, когда они связываются с ними, и в конечном счете вызывать изменения в экспрессии генов. О том, как именно они могут складывать и корректировать эти формы, мало что известно, тем более что они делают это до того, как РНК полностью сформируются. Мы узнали, что на РНК оказывает эволюционное давление, заставляющее их не только складываться в окончательную структуру, но и иметь возможность поступать аналогичным образом и эффективно".
Поиск схожих черт складывания-раскладывания
Ранее команда ученых использовали свою систему высокого разрешения для изучения того, как рибосвитч чувствовал фтористый ион. В статье "Химическая биология природы" они применили систему к рибосвитчу, ответственному за обнаружение естественной клеточной молекулы алармона под названием ZTP, которая, функционирует как "триггер тревоги" в клетках.
Несмотря на структурные и функциональные различия между рибосвитчами и их соответствующими целевыми соединениями, ученые обнаружили, что в обоих случаях рибосвитчи шли по одному и тому же пути складывания - ряд форм молекулы РНК, через которые проходит синтезированная.
Используя высокопроизводительную технологию секвенирования следующего поколения, ученые обнаружили сходства в тенденциях складывания в семействе молекул РНК, называемых рибосвитчами.
"Как только РНК сделаны, они немедленно складываются в форму, которая распознает молекулу. Если молекула присутствует, то ее форма фиксируется и сохраняет структуру. Если молекулы нет, РНК распадается сама по себе. Мы обнаружили, что это произошло в обоих случаях."
"Хотя эти РНК выглядят по-другому, они удивительно похожи, когда разбиваешь их на последовательность инструкций по складыванию. Поиск связей с этими общими чертами закладывает основу для кодирования этих принципов в качестве элементов дизайна, когда мы хотим использовать их для наших собственных нужд".
К таким видам использования могут относиться будущие стратегии доставки наркотиков. Хотя многие терапевтические средства предназначены для лечения заболеваний, вызванных неправильным раскладыванием белка, таких как болезнь Альцгеймера или Паркинсона, результаты работы лаборатории могут быть использованы для лечения заболеваний, предположительно вызванных на уровне РНК, включая спинальную атрофию мышц, нервно-мышечное расстройство, вызванное неправильным распространением гена SMN.
"Возможно, вам захочется нацелиться не только на конечную структуру молекулы РНК, потому что все они складываются в какую-то структуру, но и на процесс складывания, чтобы попасть в эту структуру".
Полученные результаты также представляют собой позитивный шаг в направлении использования возможностей РНК в качестве естественного биосенсора. Ученые и научные сотрудники лаборатории изучают возможности использования рибосвитчей в рамках недорогих синтетических биологических платформ для обнаружения токсинов в окружающей среде, оказывающих влияние на здоровье сельскохозяйственных культур и качество воды.
"Узнав больше об архитектуре, лежащей в основе работы РНК, мы постараемся понять, как заставить их работать лучше. Природа, возможно, эволюционировала, чтобы заставить их сделать одно дело, но мы хотим, чтобы они работали на нас быстрее или более чутко. Мы все еще учимся делать это, но приближаемся к тому уровню детализации, на котором мы можем по-настоящему проектировать на основе этих принципов".
