Исследование функции РНК с помощью 10 000 мутантов

Создание и изучение 10 296 мутантов рибозима позволило лучше понять эти широко распространенные, но малоизученные молекулы РНК.

Рибозимы — рибонуклеиновые кислоты с ферментативной активностью — это молекулы РНК, катализирующие химические реакции. Как и ДНК, РНК представляет собой линейную молекулу, собранную из четырех химических строительных блоков — оснований, обозначаемых буквами A, C, G и U, в соответствии с генетической информацией, закодированной в ДНК.

Рибозимы участвуют в ключевых генетических процессах и биохимических реакциях, например, в механизме репликации некоторых вирусов. Ученые открыли рибозимы более 30 лет назад, но лишь недавно эти структуры РНК были обнаружены у самых разных организмов, включая позвоночных. Эти открытия вызвали новый интерес исследователей, поскольку роли и функции этих молекул РНК в основном все еще неясны.

Обычно ученые пытаются лучше понять структуру и свойства рибозима, внося мутации в его последовательность РНК. Исходя из работающего рибозима, исследователи модифицируют (или «мутируют») определенные основания в нем и проверяют, сохраняет ли мутантный рибозим каталитическую способность. Однако существующие методы позволяют изучать лишь небольшое количество мутантов — несколько десятков за раз. Поскольку даже у маленького рибозима может быть множество возможных мутантов, исследователям приходится произвольно выбирать участки для внесения мутаций, потенциально упуская другие важные для функции части. Сюнго Кобори и Йохей Йокобаяши из подразделения химии и инженерии нуклеиновых кислот Окинавского института науки и технологий разработали эффективный и беспристрастный подход к изучению мутантов рибозимов, преодолевающий эти ограничения. Их результаты опубликованы в Angewandte Chemie.

«Вместо того чтобы выбирать конкретные мутации, мы решили создать и протестировать как можно больше мутантов конкретного рибозима», — пояснил Йокобаяши. «Одиночный» мутант — это рибозим, отличающийся от исходного всего одним основанием. «Двойной» мутант отличается двумя основаниями. Даже для небольшого рибозима длиной в 48 оснований, который изучали исследователи, всего существует 10 296 одиночных и двойных мутантов.

«С помощью мощного секвенатора ДНК в OIST мы создали, а затем измерили химическую активность всех одиночных и двойных мутантов варианта "рибозима-твистера", который обнаружен в геноме риса», — сказал Йокобаяши. «Благодаря этому всестороннему подходу мы теперь лучше понимаем, какие основания более важны для активности этого рибозима».

Ключевой вывод заключается в том, что рибозим обладает высокой устойчивостью к мутациям. «Этот результат удивителен, — прокомментировал Йокобаяши, — потому что изучаемый нами рибозим имеет довольно компактную и сложную структуру». Хотя многие основания, по-видимому, участвуют в поддержании сложной структуры рибозима, значительная доля мутантов сохранила обнаруживаемую активность. Эта способность переносить мутации могла быть эволюционным преимуществом и, возможно, объясняет широкое распространение рибозимов у разных форм жизни.

Более глубокое понимание рибозимов также может иметь важное практическое значение. Рибозимы можно конструировать для контроля экспрессии генов в живых клетках и вирусах, что открывает потенциальные возможности для применения в генной терапии и регенеративной медицине.