Сквозь дымку экрана сонограммы будущая мать мельком видит растущего внутри нее ребенка. Очертания носа, подбородка и головы, мгновенно узнаваемые как у крошечного человека, воплощают в жизнь то, что родители до этого могли только представить. Биологи тоже стремятся воплотить свои научные открытия в жизнь, создавая трехмерные модели - на атомном уровне - внутренней работы клеток.
Нам нужны трехмерные изображения молекулярных структур с атомарным разрешением по многим причинам. Например, эти изображения могут точно показать нам, как взаимодействующие молекулы связываются друг с другом, чтобы выполнять важные клеточные функции. Это помогает нам разрабатывать терапевтические препараты, которые контролируют взаимодействия, а значит, и биохимические процессы, которые они выполняют в клетках», - говорит Дэвид Заппулла, доктор философии, научный сотрудник отдела молекулярной биологии и генетики Школы Университета Джона Хопкинса. Медицина.
Исследование Заппуллы сосредоточено на обнаруженном в клетках ферменте, называемом теломеразой, который удлиняет повторяющиеся фрагменты ДНК на концах хромосом. Эти концевые заглушки, называемые теломерами, разрушаются каждый раз, когда клетка делится, и без этих защитных наконечников эта эрозия разрушила бы хромосомы, включая важную генетическую информацию, и убила бы клетку.
Теломераза присутствует в клетках плода, чтобы предотвратить чрезмерное усечение ДНК, поскольку клетки быстро размножаются на раннем этапе развития, но затем фермент отключается, и теломеры со временем разрушаются, что является частью естественного процесса старения клеток. Хорошо известно, что у пожилых людей теломеры короче, чем у молодых.
Раковые клетки, с другой стороны, захватывают теломеразу и повторно экспрессируют ее для поддержания длины теломер, что делает их невосприимчивыми к смерти, связанной со старением. Чтобы убить раковые клетки, ученые уже давно ищут препараты, воздействующие на способность теломеразы поддерживать жизнь клеток.
Но для разработки таких лекарств ученым необходимо лучше понять, как теломераза достигает концов хромосом и удлиняет их.
«Существует несколько регуляторных шагов, которые точно контролируют теломеразу и направляют ее к самым коротким концам хромосом, где и когда это необходимо», - говорит Заппулла, который работал над выявлением этих процессов. В 2015 году он опубликовал исследование, показывающее, как два белка, Ku и Sir4, взаимодействуют, привлекая теломеразу к кончикам хромосом дрожжей.
В экспериментах по изучению теломеразы в пекарских дрожжах его лаборатория показала, что белок Ku помогает теломеразе чувствовать, когда теломера короткая. Они показали, что Ku связывается с другим белком, Sir4, и это соединение важно для удлинения теломер. Он считает, что Sir4 действует как посадочная площадка для привлечения теломеразы преимущественно к коротким концам хромосом, которые нуждаются в удлинении.
Чтобы визуализировать эти концепции в 3D, Заппулла объединился с Минг Лей, доктором философии, экспертом по созданию кристаллических структур из Шанхайского университета Цзяо Тонг. Они познакомились во время обучения в докторантуре в Университете Колорадо в Боулдере.
Для текущего исследования, опубликованного 11 января в журнале Cell, команда Лея кристаллизовала версии ключевых белков, рекрутирующих теломеразу, из пекарских дрожжей, а также фрагмент РНК фермента теломеразы. Затем они пропустили через кристаллы рентгеновские лучи и определили трехмерную форму каждой молекулы на основе того, как перенаправляются пути рентгеновских лучей. Затем несколько совместных команд сотрудничали, чтобы проверить структуры, введя мутации в гены, кодирующие белки, и протестировав функции измененных молекул в живых клетках дрожжей. Эти эксперименты привели к новому пониманию того, как белки, рекрутирующие теломеразу, работают и взаимодействуют во времени и пространстве.
«Удивительно, сколько точных деталей можно получить из кристаллографических исследований», - говорит Заппулла.
Когда Заппулла впервые увидел результаты, он говорит, что они сразу же ответили на один из его вопросов о том, как теломераза взаимодействовала с Ku и Sir4, чтобы прикрепиться к концу хромосомы. «Кристаллические структуры показывают, как Ku связывается как с РНК теломеразы, так и с белком Sir4 на хромосомах, как мы предполагали в нашем исследовании 2015 года».
Заппулла говорит, что дрожжевая теломераза и то, как она работает, безусловно, будут отличаться от человеческой версии; тем не менее, выводы из дрожжей должны помочь ученым понять фундаментальные молекулярные и клеточные особенности, которые схожи или даже сохранились в ходе эволюции.
Заппулла работает в отделе молекулярной биологии и генетики Университета Джона Хопкинса, которым руководит Кэрол Грейдер, доктор философии, открывшая теломеразу в 1984 году и разделившая Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2009 года с Элизабет Блэкберн и Джеку В. Шостаку за находку.