В клетках происходит множество процессов, необходимых для жизни. Два из них, транскрипция и трансляция, позволяют расшифровывать генетическую информацию, хранящуюся в ДНК, в белки, из которых состоят все живые существа, от бактерий до человека и растений.
Ученым уже полвека известно, что эти два процесса связаны у бактерий, но только сейчас они, наконец, увидели структуру, которая делает это возможным. В статье, опубликованной в журнале Science, биохимики из Университета Висконсин-Мэдисон и Института биофизической химии Макса Планка (MPI) в Германии раскрыли определенную архитектуру того, что называется «экспрессомой»."
Исследователи говорят, что эта работа с использованием модельной бактерии E. coli может открыть множество дверей для изучения того, как бактерии влияют на здоровье человека, включая лучшее понимание регуляции генов и возможной разработки новых антибиотиков.
«Существование этого комплекса в бактериях было постулировано на основе доказательств, но никто никогда не документировал его существование», - объясняет Роберт Лэндик, профессор кафедры биохимии в Университете Вашингтона в Мэдисоне и автор исследования. «Это первая демонстрация того, что из этих двух и без того довольно сложных машин можно сформировать одну большую суперклеточную машину».
В процессе транскрипции используется фермент, называемый РНК-полимеразой, для превращения ДНК в РНК. Следуя этому процессу, другая молекулярная машина, называемая рибосомой, переводит РНК, точнее называемую матричной РНК, в белки, которые бактерии могут использовать для своего функционирования.
В бактериальном экспрессоме полимераза и рибосома образуют одну сложную структуру для совместного выполнения этих двух процессов, и эта новая решенная структура дает представление о том, как это происходит, говорит Рэйчел Муни, научный сотрудник из Биохимия и соавтор статьи.
Транскрипция и трансляция происходят и у животных, и у людей, но они не связаны друг с другом, как у бактерий. Скорее, они происходят в двух физически разных частях клетки. Исследователи говорят, что если ученые смогут найти способ разрушить экспрессому, они смогут разработать лекарства, которые воздействуют на бактерии, но не повреждают человеческие клетки.
«Каждый раз, когда вы находите новый интерфейс в таких исследованиях, как этот, где полимераза и рибосома объединяются, этот интерфейс становится мишенью для лекарств», - говорит Ландик. «Если вы можете найти что-то, что разрушит это, это может работать синергетически с другими антибиотиками или само по себе».
Ландик добавляет, что открытие также распространяется на исследования микробиома, сообщества микробов внутри и вокруг человеческого тела. Текущие исследования показывают, насколько важен микробиом для здоровья человека, и понимание регуляции генов в этих микробных сообществах является важной частью этих усилий. Экспрессом теперь обеспечивает фундаментальный строительный блок для этого понимания.
«Мы склонны думать о биологии человека как о том, что происходит в человеческих клетках, но бактериальных клеток не меньше, чем человеческих клеток в нашем теле», - говорит он. «Возможно, кишечная палочка там не очень распространена, но мы используем ее в качестве модели для расширения наших исследований на другие бактерии, имеющие решающее значение для процессов жизнедеятельности человека».
Лэндик и Муни объединились с Ребеккой Колер и Патриком Крамером, директором MPI. Оборудование немецкой группы помогло решить структуру экспрессома, который был собран с использованием РНК-полимеразы, предоставленной командой UW-Madison.
«Это был отличный пример междисциплинарного проекта, - говорит Крамер. «Наша работа объясняет старые наблюдения о том, что оба процесса - транскрипция и трансляция - связаны в этих клетках».
Исследователей также интересует происхождение этого комплекса. Почему эти процессы связаны у бактерий, а не у организмов, таких как человек, - это тема эволюции.
«Одна из точек зрения на это состоит в том, чтобы просто признать, что бактерии гораздо более развиты, чем мы», - объясняет Ландик. «Это парадоксально, но технически у них было намного больше поколений, чем у нас. Эволюционное давление, с которым сталкиваются бактерии, привело к появлению этого очень простого и эффективного способа взять ДНК и превратить ее в белки».
Для Ландика эта работа также имеет важное значение. Знаменитый биохимик из Университета Вашингтона в Мэдисоне Гобинд Хорана получил Нобелевскую премию в 1968 году за свою работу о молекулярных основах действия генов, и Лэндик был вдохновлен его работой, чтобы продолжить карьеру в области биохимии и молекулярной биологии.
«В нашем отделе Корана провел действительно плодотворное исследование, которое определило генетический код и то, как информация, закодированная в ДНК, распространяется и преобразуется в белки, парадигма, называемая центральной догмой молекулярной биологии», - говорит он. «Так же поступали и другие сотрудники отдела спустя годы после него. Проводить аналогичные исследования для достижения тех же целей очень увлекательно».