Нанотехнологии позволили визуализировать структуры РНК с почти атомарным разрешением

РНК — молекула, столь же важная, как и ДНК. Эволюционные биологи предполагают, что РНК существовала и самореплицировалась ещё до появления ДНК и кодируемых ею белков. У современного человека менее 3% генома транскрибируется в матричную РНК (мРНК) для синтеза белков, а 82% — в РНК с другими функциями, многие из которых остаются загадкой.

Чтобы понять функцию отдельной молекулы РНК, необходимо расшифровать её трёхмерную структуру на уровне атомов и связей. Методы вроде рентгеновской кристаллографии или ЯМР, эффективные для ДНК и белков, плохо подходят для РНК из-за её гибкости и сложности кристаллизации.

Коллаборация под руководством Пенга Иня (Wyss Institute, Гарвард) и Маофу Ляо (Гарвардская медицинская школа) разработала принципиально новый подход для исследования структуры РНК — ROCK (RNA oligomerization-enabled cryo-EM via installing kissing loops). Метод использует нанотехнологии для сборки идентичных молекул РНК в упорядоченные кольцеобразные структуры, что снижает гибкость отдельных молекул и увеличивает их молекулярную массу. Это позволяет анализировать структуру входящих в комплекс РНК-субъединиц с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ).

«ROCK ломает текущие ограничения в исследовании структур РНК и позволяет раскрывать 3D-структуры молекул, труднодоступные для других методов, с почти атомарным разрешением. Это оживит фундаментальные исследования и разработку лекарств, включая область РНК-терапии», — сказал Пенг Инь.

Принцип метода ROCK

Подход основан на самосборке природных молекул РНК в упорядоченные кольцевые комплексы. Специальные «kissing loops» связывают периферические стебль-петли двух копий идентичной РНК, формируя стабилизированное кольцо из множества копий целевой РНК.

«Крио-ЭМ имеет преимущества для визуализации биомолекул, но малый размер и подвижность большинства РНК мешали определению их структур. Наш метод решает обе проблемы, увеличивая размер РНК и уменьшая её движение», — пояснил Маофу Ляо.

Доказательство принципа

Метод протестировали на трёх модельных РНК:

1. Крупный интрон РНК из Tetrahymena (одноклеточный организм).
2. Малый интрон РНК из Azoarcus (азотфиксирующая бактерия).
3. FMN рибопереключатель, меняющий конформацию при связывании флавинмононуклеотида (FMN).

Результаты:

• Для интрона Tetrahymena сборка в кольцевую структуру повысила однородность образцов и позволила использовать вычислительные инструменты, учитывающие симметрию. Разрешение структуры ядра РНК достигло 2.85 Å, что выявило детали нуклеотидных оснований и сахарофосфатного остова.
• Для интрона Azoarcus удалось зафиксировать разные конформации в процессе его самосплайсинга.
• Для FMN рибопереключателя выявлена относительная конформационная жёсткость сайта связывания лиганда.

«Сборка интрона в кольцевидную структуру позволила разрешить её с беспрецедентной детализацией. Думаю, без ROCK мы бы этого не достигли — или потребовалось бы значительно больше ресурсов», — отметил соавтор Франсуа Тело.

Исследование демонстрирует, как нанотехнологии РНК могут ускорять прогресс в других дисциплинах. Визуализация структур природных РНК способна углубить понимание биологических и патологических процессов и открыть новые пути разработки лекарств. Работа опубликована в журнале Nature Methods.