ДНК содержит внутри клетки генетический код для строительства белков. Чтобы собрать белки, клетка создаёт копию ДНК под названием иРНК. Затем другая молекула под названием рибосома считывает иРНК и транслирует её в белок. Но в визуальном плане этот этап оставался загадкой: учёные до сих пор не знали, как рибосомы прикрепляются к иРНК и считывают её.
Группа учёных из разных стран, включая исследователей из Мичиганского университета, воспользовались передовыми методами микроскопии, чтобы получить изображения того, как иРНК привлекает рибосомы в тот момент, когда её транслирует фермент под названием РНК-полимераза. Полученные ими результаты, где этот процесс рассмотрен на примере бактерий, опубликованы в журнале Science.
«Понимание того, как рибосома захватывает, или «рекрутирует» мРНК, имеет исключительную важность для всего, что происходит после этого, например, понимание того как она вообще может начать интерпретировать информацию, закодированную в иРНК», — говорит Альберт Вейксльбаумер из Института генетики и молекулярной и клеточной биологии во Франции, один из руководителей исследования. — Это как книга. Ваша задача состоит в том, чтобы прочесть и интерпретировать книгу, но вы не знаете где её взять. Как книга попадает к читателю?»
Учёные обнаружили, что РНК-полимераза, транскрибирующая иРНК, пользуется двумя разными анкерами, чтобы втянуть рибосому и обеспечить надёжное сцепление для начала синтеза белка. Это похоже на то, как бригадир на стройке, наблюдающий за тем, как рабочие устанавливают сложную секцию верхней части конструкции, проводит дополнительную проверку, чтобы все детали узловых соединений были надёжно закреплены для обеспечения максимальной стабильности и функциональности.
Понимание этих фундаментальных процессов обладает огромным потенциалом для развития новых антибиотиков, которые нацелены на эти пути синтеза белков у бактерий, — говорят учёные. Обычно антибиотики нацелены на рибосому или РНК-полимеразу, но бактерии часто находят способ развиваться и мутировать, чтобы выработать некоторую степень устойчивости к этим антибиотикам. Вооружившись своими новыми знаниями, учёные надеются перехитрить бактерии, лишив их многих метаболических путей.
«Нам известно о взаимодействии между РНК-полимеразой, рибосомой, факторами транскрипции, белками и иРНК», — говорит старший научный сотрудник Мичиганского университета Адриен Шовье, один из четырёх главных авторов статьи. — Мы можем нацелиться на этот интерфейс, особенно между РНК-полимеразой, рибосомой и иРНК, с помощью соединения, которое препятствует обеспечению рекрутмента или стабильности комплекса».
Учёные разработали общие принципы механизма, чтобы показать, каким образом различные компоненты комплекса работают вместе, доставляя только что транскрибированные иРНК к рибосоме и выступая в качестве мостиков между транскрипцией и трансляцией.
«Нам хотелось выяснить, каким образом вообще происходит сцепление РНК-полимеразы и рибосомы», — говорит Вейксльбаумер. — Используя очищенные компоненты мы пересобрали комплекс — одну 10-миллиардную долю метра в диаметре. Мы увидели их в действии с помощью криоэлектронного микроскопа и интерпретировали то, что они делали. Затем нам нужно было убедиться, что поведение наших очищенных компонентов можно повторить в различных экспериментальных системах».
В более сложных клетках человека ДНК располагается в отгороженном ядре, где РНК-полимераза служит в качестве «переводчика», разбивая генетические инструкции на небольшие кусочки. Этот неутомимый фермент транскрибирует или переписывает ДНК на иРНК, представляя конкретно выбранную копию небольшого участка генетического кода, который перемещается на рибосому в более «просторной» цитоплазме, где она транслируется в белки, основные кирпичики жизни.
У прокариотов, не имеющих выраженного ядра и внутренней мембранной «стенки», транскрипция и трансляция происходят одновременно и в непосредственной близости друг от друга, что позволяет РНК-полимеразе и рибосоме напрямую координировать свои функции и взаимодействовать друг с другом.
Бактерии — наиболее изученные из прокариотов, и поскольку они обладают простой генетической структурой, стали для учёных идеальным предметом для анализа механизмов, участвующих в связке рибосомы и РНК-полимеразы в процессе экспрессии генов.
Для изучения происходящих при этом процессов учёные использовали различные технологии и методологии в соответствии со специализацией каждой из лабораторий: криоэлектронную микроскопию группы Вейксльбаумера и внутриклеточную перекрёстно-связывающую масс-спектрометрию, которую проводил Андреа Грациадеи.
Имея большой опыт в области биофизики, Шовье и Нильс Уолтер, профессор химии и биофизики Мичиганского университета, использовали новейшие одномолекулярные флуоресцентные микроскопы, чтобы проанализировать кинетику структуры.
«Чтобы проследить скорость работы этого аппарата, мы пометили оба компонента разными красителями», — говорит Шовье. — Мы использовали один флуоресцентный краситель для растущей цепи РНК, а другой — для рибосомы. Это позволило нам по отдельности рассмотреть их кинетику под мощным микроскопом».
Они увидели, что иРНК, выходящая из РНК-полимеразы, особенно успешно связывалась с небольшой рибосомальной субъединицей (30S), когда присутствовал рибосомный белок bS1, который помогает иРНК развернуться во время подготовки к трансляции внутри рибосомы.
Структуры, полученные Вебстером и Вейксльбаумером с помощью криоэлектронной микроскопии, указали на альтернативный путь доставки иРНК к рибосоме — путём связывания РНК-полимеразы фактором транскрипции NusG, или его паралогом, или версией, RfaH, которые протягивают иРНК во входной канал иРНК рибосомы с другой стороны от bS1.
Успешно визуализировав первую стадию сопряжения РНК-полимеразы и рибосомы, учёные надеются продолжить сотрудничество, чтобы выяснить, как этот комплекс должен быть реорганизован, чтобы обрести полную функциональность.
«Эта работа демонстрирует силу междисциплинарных исследований, проводимых на разных континентах», — говорит Уолтер.
Автор — Пол Аведисян (Paul Avedisian).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Мичиганским университетом (University of Michigan).
Вам также может быть интересно:
