Исследование раскрывает механизм ключевого клеточного процесса, опровергая учебники биологии
Новое исследование описало клеточный процесс, который, вопреки утверждениям учебников, оставался неуловимым для учёных — как именно останавливается копирование генетического материала после его запуска.
Речь идёт о ключевом для жизни процессе — фазе транскрипции в экспрессии генов.
Во время транскрипции фермент РНК-полимераза связывается с двойной спиралью ДНК, используя одну цепь как матрицу для синтеза копии генетического материала — новой цепи РНК. Эта РНК необходима для производства белков.
Для правильного «сообщения» РНК должна начаться и закончиться в нужном месте. Более 50 лет назад был открыт бактериальный белок Rho, способный останавливать (терминировать) транскрипцию. В учебниках Rho представлен как модель терминатора, который с помощью мощной двигательной силы связывается с РНК и «выдёргивает» её из РНК-полимеразы.
Однако более детальное изучение показало, что Rho не может находить нужные для высвобождения РНК по описанному в учебниках механизму.
«Мы начали изучать Rho и поняли, что он не может работать так, как нам рассказывают», — заявила соавтор исследования Ирина Арцимович, профессор микробиологии Университета штата Огайо.
Исследование, опубликованное в журнале Science 26 ноября 2020 года, установило, что Rho не связывается с определённым участком РНК в конце транскрипции. Вместо этого он «путешествует автостопом» на РНК-полимеразе на протяжении всего процесса.
Rho взаимодействует с другими белками, чтобы в конечном итоге провести фермент через серию структурных изменений. Это приводит к неактивному состоянию РНК-полимеразы и высвобождению РНК.
Команда использовала сложные микроскопы, чтобы показать, как Rho действует на полный транскрипционный комплекс из РНК-полимеразы и двух вспомогательных белков.
«Это первая структура комплекса терминации в любой системе. Её получение считалось невозможным, потому что комплекс слишком быстро распадается», — отметила Арцимович.
«Это отвечает на фундаментальный вопрос. Транскрипция фундаментальна для жизни, но без контроля ничего не будет работать. РНК-полимераза сама по себе должна быть совершенно нейтральной. Она должна уметь создавать любую РНК, включая повреждённую или вредную для клетки. Путешествуя с РНК-полимеразой, Rho может определить, стоит ли синтезированная РНК производства, и если нет — высвободить её».
Изначально исследование не ставило целью опровергнуть устоявшееся понимание роли Rho. Поворотным моментом стало обнаружение студентом-бакалавром в лаборатории неожиданных мутаций в гене Rho.
Известно, что Rho подавляет экспрессию генов вирулентности у бактерий, сохраняя их неактивными до момента заражения. Однако у этих генов нет известных последовательностей РНК, к которым Rho должен предпочтительно связываться.
Понимание механизма Rho было установлено с помощью упрощённых биохимических экспериментов, часто исключавших РНК-полимеразу — то есть определяли, как процесс заканчивается, не учитывая сам процесс.
В этой работе исследователи использовали криоэлектронную микроскопию, чтобы получить изображения РНК-полимеразы в действии на ДНК-матрице в Escherichia coli. Это высокое разрешение в сочетании с компьютерным моделированием позволило точно воссоздать процесс терминации транскрипции.
«РНК-полимераза движется вдоль ДНК, сопоставляя сотни тысяч нуклеотидов у бактерий. Комплекс чрезвычайно стабилен, потому что должен быть таким — если РНК высвободится, она будет потеряна. И всё же Rho способен разрушить этот комплекс за считанные минуты, если не секунды. Его можно наблюдать, но нельзя получить стабильный комплекс для анализа», — пояснила Арцимович.
Используя метод «ловушки» для захвата комплексов непосредственно перед их распадом, учёные визуализировали семь комплексов, представляющих последовательные шаги пути терминации — от взаимодействия Rho с РНК-полимеразой до полной инактивации фермента. Модели, созданные на основе наблюдений, были проверены генетическими и биохимическими методами.
Хотя исследование проводилось на бактериях, этот процесс терминации, вероятно, происходит и у других форм жизни.
«Это, по-видимому, общий механизм. Клетки используют схожие рабочие механизмы от общего предка. Они все научились одним и тем же приёмам, пока эти приёмы были полезны», — заключила исследователь.