Определена структура ключевого фактора контроля качества РНК с помощью крио-ЭМ
В биологии избавление от ненужного так же важно, как и его создание. Накопление клеток, белков или других молекул, в которых больше нет необходимости, может вызывать проблемы, поэтому живые организмы выработали несколько способов «уборки».
Яркий пример — РНК-экзосома. Молекулы РНК выполняют множество функций в клетках. Некоторые из них транслируются в белки; другие формируют аппарат для синтеза белков клетки. РНК-экзосома — это клеточная машина, которая разрушает молекулы РНК, являющиеся дефектными, вредными или более ненужными.
«Пути надзора и деградации РНК существуют во всех формах жизни, — объясняет Кристофер Лима, руководитель программы структурной биологии в Институте Слоуна Кеттеринга. — От бактерий до людей, все живые существа имеют механизмы для контроля качества РНК и её целенаправленной деградации».
Долгое время эти пути считались скучными, но оказалось, что они строго регулируются и контролируют всё — от эмбрионального развития до прогрессии клеточного цикла. Более того, ошибки в этих путях могут приводить ко многим типам заболеваний, от рака до нейродегенерации.
В новой статье, опубликованной 9 июня 2022 года в журнале Cell, доктор Лима и М. Райан Пуно, постдокторант в лаборатории Лимы, представили результаты, которые помогают объяснить, как РНК-экзосома находит РНК, которую нужно разрушить. С помощью криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ) учёные смогли расшифровать структуру белкового комплекса под названием Nuclear Exosome Targeting (NEXT), который является ключевой частью машинерии деградации.
«Мы знали, что NEXT нацеливается на РНК и доставляет её к экзосоме, но биохимически и структурно мы не имели ни малейшего представления, как он выглядит или как работает», — говорит доктор Пуно.
Теперь с помощью крио-ЭМ учёные получили первые чёткие изображения NEXT, связанного с РНК. Эти изображения в сочетании с сопутствующими биохимическими и биологическими экспериментами дают представление о том, как молекулы РНК передаются экзосоме для уничтожения.
Визуализация белков в движении
Крио-ЭМ работает путём захвата множества различных изображений замороженного, но не кристаллизованного образца белка, а затем с помощью вычислительных методов их совмещения в окончательное чёткое изображение.
«Это почти как сделать кучу снимков птицы в полёте, — говорит доктор Лима. — Есть всевозможные сбивающие с толку движения, и крылья птицы могут выглядеть размытыми. Но если мы сможем найти части крыла на всех этих разных снимках, то сможем совместить снимки, чтобы реконструировать, как выглядят крылья птицы, и определить, как они работают».
На изображениях крио-ЭМ учёные смогли увидеть, что белки NEXT образуют очень гибкий димер — это означает, что две копии белков NEXT соединяются вместе как функциональная единица.
«Это было действительно очень загадочно, — говорит доктор Пуно, отмечая, что образование димера ранее не визуализировалось для белков такого типа. — Из проведённых нами биохимических экспериментов мы знаем, что димеризация каким-то образом важна для деградации. Но для нас всё ещё остаётся загадкой, какую роль димер играет в направлении РНК к экзосоме».
Деградация РНК и болезни
Показателем того, насколько важна деградация РНК, является длинный список заболеваний, возникающих в результате дефектной или плохо контролируемой деградации. Возможно, самый известный пример — муковисцидоз. В этом случае матричная РНК, кодирующая белок, который переносит ионы через клеточные мембраны, разрушается путями распада РНК. В результате белок отсутствует в слизистых оболочках лёгких, что приводит к накоплению там слизи и серьёзному нарушению дыхания.
«Это известный пример контроля качества РНК с плохими результатами», — говорит доктор Лима.
Но дефекты в путях деградации РНК также играют роль в нескольких типах рака. Фактически, две генетические мутации, которые тестирует платформа генетического тестирования MSK MSK-IMPACT, обнаруживаются в генах, связанных с путём РНК-экзосомы, включая белок в комплексе NEXT.
«Реальность такова, что если у вас дефектные пути контроля качества РНК, ваши рибосомы не работают, ваши транспортные РНК не работают, ваши сплайсосомы не работают», — объясняет доктор Лима.
Широта функций, которые выполняет РНК, объясняет, почему дефектные пути деградации РНК могут иметь такие каскадные болезнетворные эффекты.
«Мечта — инициировать реакцию деградации РНК, поместить образец в крио-ЭМ и фактически увидеть все возможные конформации, пока она выполняет свою работу, — говорит доктор Лима. — Как структурные биологи, мы хотим иметь возможность видеть процессы в действии, а затем иметь возможность их воссоздавать».