Выявлены ключевые различия в ферменте Argonaute, участвующем в РНК-интерференции у прокариот и эукариот

Ферментный комплекс Argonaute (Ago) играет ключевую роль в расщеплении ДНК и РНК-мишеней в процессе РНК-интерференции у прокариотических и эукариотических клеток, что делает его мишенью для будущих технологий редактирования генов. Настоящее исследование раскрывает ключевые различия между прокариотическими (pAgo) и эукариотическими (eAgo) ферментами Ago в реакции расщепления и может дать важные подсказки об их эволюционном прошлом.

Для Ago каталитический этап требует вставки "глутаматного пальца" для формирования каталитической конформации "plugged-in", которая может стабилизироваться за счёт сетей водородных связей, обеспечиваемых двумя симметричными, положительно заряженными остатками.

У эукариотического Ago эти два симметричных положительно заряженных остатка играют идентичную критическую роль в расщеплении. Исследователи предполагали, что два аналогичных остатка в прокариотическом Ago выполняют ту же ключевую функцию. Удивительно, но это исследование (рис. 1) показало, что в pAgo в функции расщепления задействован только один (Аргинин 545) из двух остатков. Когда другой (Аргинин 486) заменяли на другие аминокислоты, фермент сохранял свою расщепляющую активность. Основываясь на этих результатах, исследование также предположило, что R486 может играть другие роли, например, помогать вставке глутаматного пальца. Обнаружение таких поразительных различий в ролях этих симметричных остатков между eAgos и pAgos даёт новое понимание того, как функция расщепления эволюционировала на пути от прокариот к эукариотам.

Для достижения этих результатов были применены вычислительные методы, сочетающие квантовую механику, молекулярную механику и молекулярную динамику (QM/MM), чтобы выяснить механизм реакции расщепления и определить функциональные роли аминокислотных остатков. Это исследование стало возможным благодаря крупномасштабным высокопроизводительным вычислительным ресурсам, эквивалентным работе 10 000 CPU-ядер в течение 25 недель на суперкомпьютере Shaheen II в KAUST в сотрудничестве с группой проф. Синь Гао.

«Это исследование стало возможным благодаря современным вычислительным возможностям и точности, которую позволяет моделирование QM/MM», — сказал проф. Хуан Сюйхуэй. «Сравнение того, какие аминокислотные остатки играют ключевую роль на этапе расщепления ДНК/РНК-мишени у pAgo и eAgo, проливает свет на то, как белок Ago эволюционировал от прокариот к эукариотам для расщепления ДНК/РНК. Эта информация может быть полезна для в конечном итоге модификации белка Ago для использования в качестве усовершенствованного инструмента редактирования генов в будущем», — пояснил проф. Хуан.

Подробности методологии и выводы были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 27 декабря 2018 года.