Используя инновационный метод кристаллизации для изучения трехмерных структур механизма транскрипции генов, международная группа исследователей во главе с учеными из Университета штата Пенсильвания раскрыла новое понимание давно обсуждаемого действия «волшебного пятна» - молекула, которая контролирует экспрессию генов у кишечной палочки и многих других бактерий, когда бактерии испытывают стресс. Исследование способствует нашему фундаментальному пониманию того, как бактерии адаптируются и выживают в неблагоприятных условиях, и дает представление о ключевых процессах, на которые можно ориентироваться при поиске новых антибиотиков. Статья с описанием исследования опубликована 22 февраля 2018 года в журнале Molecular Cell..
«Когда бактерии испытывают стресс, например голодание, они перестраивают экспрессию своих генов», - сказал Кацухико Мураками, профессор биохимии и молекулярной биологии в Пенсильванском университете и автор статьи. «В 1969 году наш соавтор, Майкл Кашел, обнаружил, что новая молекула появилась в кишечной палочке, когда бактериям не хватило основных питательных веществ. Кашел назвал эту молекулу, появившуюся в виде нового пятна на хроматограмме, «магическим пятном». ' из-за его появления, казалось бы, из ниоткуда, когда бактерии были истощены."
Впоследствии было показано, что волшебное пятно представляет собой гуанозинтетрафосфат, или ppGpp, химически модифицированный аналог нуклеотида G в алфавите ATCG генома. Его появление после голодания и других стрессов связано с изменениями в экспрессии более 500 генов, прежде всего генов структурных РНК, которые являются компонентами рибосомы - фермента, ответственного за синтез белка.
Молекула ppGpp взаимодействует с РНК-полимеразой E. coli - клеточным механизмом, производящим РНК из геномной ДНК - но то, как именно это взаимодействие контролирует экспрессию генов, остается загадкой. Однако новые рентгеновские кристаллические структуры дают представление об этом процессе, впервые демонстрируя трехмерные изображения РНК-полимеразы E. coli в комплексе с ppGpp и другим важным фактором, который работает с ppGpp, DksA.
Трехмерная структура РНК-полимеразы хорошо известна, но увидеть структуру РНК-полимеразы во время ее взаимодействия с другими молекулами оказалось технически сложно. Взаимодействующие молекулы часто диссоциируют в процессе кристаллизации, необходимом для того, чтобы увидеть их структуру. Исследователи преодолели эту трудность, добавив молекулы DksA и ppGpp к РНК-полимеразе, кристаллизовавшейся независимо друг от друга.
«Сначала мы создали кристаллы РНК-полимеразы, а затем пропитали их DksA и ppGpp», - сказал Вадим Молодцов, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета и еще один автор статьи.«Когда мы сделали это, мы увидели, что ppGpp связывается с комплексом РНК-полимеразы и DksA таким образом, что это изменяет взаимодействие между РНК-полимеразой и DksA. Мы думаем, что это изменение может быть ключевым для объяснения того, как ppGpp изменяет транскрипцию, чтобы бактерии могли реагировать на стресс."
РНК-полимераза в бактериях контролирует экспрессию всех генов, но в ответ на присутствие ppGpp уровни экспрессии некоторых генов снижаются, в то время как многие остаются незатронутыми, а некоторые повышаются. Эти изменения в уровнях экспрессии позволяют бактериям изменять свой состав, чтобы лучше пережить стресс. Исследователи предполагают, что разные реакции могут быть связаны с индивидуальными различиями в промоторах - последовательностях ДНК рядом с началом генов, которые инициируют экспрессию - отдельных генов.
«Мы полны бактерий», - сказала Сара Адес, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета и автор статьи.«Они влияют на наше настроение, влияют на наш вес, влияют на нашу иммунную систему. Система ppGpp важна для многих этих бактерий, позволяя им чувствовать окружающую среду и приспосабливаться к стрессу. Понимание того, как функционирует ppGpp, позволит нам лучше понять эти бактерии и то, как они влияют на нас. Система также важна для бактериальных патогенов, вызывающих инфекционные заболевания. Понимание того, как работает ppGpp, может позволить нам найти способы нарушить его функции и разработать новые антибиотики».