Регулировка конвейера производства рибосомной РНК
Фермент, синтезирующий РНК на матрице ДНК, изменяется, чтобы замедлить производство рибосомной РНК (рРНК) — самого распространенного типа РНК в клетках — когда ресурсов мало и бактерии Escherichia coli нужно замедлить рост. Исследователи использовали криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ), чтобы зафиксировать структуры РНК-полимеразы в комплексе с ДНК, и показали, как меняется её активность в ответ на неблагоприятные условия.
Исследование под руководством учёных из Университета Пенсильвании опубликовано в журнале Nature Communications.
РНК-полимераза связывается с определёнными последовательностями ДНК, называемыми «промоторами». Для изучения структуры полимеразы во время этого взаимодействия необходимо зафиксировать её в связанном с промоторной ДНК состоянии, но это взаимодействие на некоторых промоторах очень нестабильно. Кристаллография может зафиксировать комплекс только если он стабилен, а для промоторов рибосомной РНК связывание, наоборот, нестабильно, чтобы полимераза могла быстро начать синтез РНК. Для визуализации этих взаимодействий исследователи использовали крио-ЭМ.
Синтез рРНК составляет до 70% от общего синтеза РНК в клетках E. coli. При делении каждые 20 минут в богатой питательными веществами среде бактерии необходимо производить около 70 000 рибосом. Это означает, что РНК-полимераза запускает синтез рРНК с каждого промотора каждые 1,7 секунды.
С помощью крио-ЭМ учёные определили трёхмерные структуры комплекса РНК-полимераза–промотор на двух стадиях:
- Закрытый комплекс: ДНК ещё не расплетена.
- Открытый комплекс: цепи ДНК разделены, система готова к синтезу РНК.
Было обнаружено крупное конформационное изменение в сигма-факторе полимеразы при связывании с промоторной ДНК, которое открывает «ворота», позволяя ДНК быстро войти в щель фермента и сформировать открытый комплекс.
Когда E. coli необходимо замедлить рост из-за нехватки ресурсов, два молекулярных фактора — глобальный регулятор транскрипции DksA и бактериальный сигнальный молекула ppGpp — связываются с полимеразой, снижая производство рРНК. Связывание этих факторов изменяет конформацию полимеразы, что препятствует открытию «ворот». В результате полимераза вынуждена использовать альтернативный, менее эффективный путь для формирования открытого комплекса, что и замедляет активность промотора рибосомной РНК.
Это исследование стало возможным благодаря крио-ЭМ, которая позволила впервые увидеть конформационные изменения полимеразы, имеющие прямые функциональные последствия.