Группа ученых из Scripps Research и Стэнфордского университета зафиксировала в режиме реального времени ключевой этап сборки рибосом - сложных и эволюционно древних «молекулярных машин», которые производят белки в клетках и необходимы для всех форм жизни..
Достижение, о котором сообщается в журнале Cell, раскрывает беспрецедентные подробности того, как нити рибонуклеиновой кислоты (РНК), клеточных молекул, которые по своей природе липкие и склонны к неправильной укладке, «сопровождаются» рибосомными белками для правильного складывания и формирования одной из основные компоненты рибосом.
Выводы опровергают давнее мнение о том, что рибосомы собираются в строго контролируемом поэтапном процессе.
«В отличие от того, что было доминирующей теорией в этой области, мы выявили гораздо более хаотичный процесс», - говорит Джеймс Р. Уильямсон, доктор философии, профессор кафедры интегративной структурной и вычислительной биологии Scripps Research.. «Это не гладкая сборочная линия в Детройте - это больше похоже на торговую яму на Уолл-стрит».
Для исследования лаборатория Уильямсона сотрудничала с лабораторией Джозефа Пуглиси, доктора философии, профессора Стэнфордского университета. Хотя работа представляет собой значительный подвиг в области базовой клеточной биологии, она должна способствовать важным достижениям в медицине. Например, некоторые современные антибиотики действуют путем ингибирования бактериальных рибосом; новое исследование открывает возможность разработки будущих антибиотиков, которые нацелены на бактериальные рибосомы с большей специфичностью и, следовательно, с меньшим количеством побочных эффектов.
В более общем плане исследование предлагает биологам мощный новый подход к изучению молекул РНК, сотни тысяч которых активны в любой момент времени в типичной клетке.
«Это показывает, что теперь мы можем подробно изучить, как сворачиваются РНК во время их синтеза и сборки белков на них», - говорит первый автор Оливье Дюсс, доктор философии, постдокторский научный сотрудник отдела интегративных структурных исследований. Вычислительная биология в Scripps Research. «Это было очень трудно изучать в биологии, потому что это включает в себя несколько различных биологических процессов, которые зависят друг от друга и должны быть обнаружены одновременно».
Команда использовала передовую технологию визуализации под названием «нульмодовая волноводная флуоресцентная микроскопия одной молекулы», которую они адаптировали в последние годы для отслеживания РНК и белков в реальном времени. Рибосомы состоят как из РНК, так и из белков, что отражает молекулярное партнерство, которое, как широко распространено мнение, восходит почти к заре жизни на Земле.
В экспериментальном исследовании, опубликованном в прошлом году, исследователи использовали свой подход для записи ранней, короткой и относительно хорошо изученной стадии сборки рибосом из бактерии E. coli. Это включало транскрипцию или копирование из соответствующего гена рибосомной РНК и начальные взаимодействия этой цепи РНК с рибосомным белком.
В новом исследовании команда расширила этот подход, отслеживая не только транскрипцию рибосомной РНК, но и ее сворачивание в реальном времени. Работа предоставила подробный взгляд на сложную и до сих пор загадочную часть сборки рибосомы E. coli - формирование всего основного компонента или домена рибосомы E. coli с помощью восьми белков-партнеров, которые заканчиваются up включен в структуру.
Ключевой вывод заключался в том, что рибосомные белки-партнеры направляют свертывание нити РНК посредством множественных временных взаимодействий с ней, задолго до того, как они займут свои конечные места в свернутой молекуле РНК-белок. Полученные данные, по мнению исследователей, также намекают на существование неизвестных факторов сборки РНК, скорее всего, белков, которые не присутствовали в их экспериментах по визуализации в лабораторных чашках, но присутствуют в клетках и повышают эффективность сворачивания РНК.
«Наше исследование показывает, что при фолдинге рибосомной РНК и, возможно, в более общем плане при фолдинге РНК в клетках многие белки помогают фолдингу РНК, несмотря на слабые, временные и полуспецифические взаимодействия с ней», - говорит Дасс.
Теперь команда сможет продолжить это исследование, чтобы изучить не только остальную часть сборки рибосом, которая включает в себя несколько цепей РНК и десятки белков, но и многие другие типы РНК-фолдинга и РНК-белка. взаимодействие в клетках.
В принципе, это исследование даст представление о том, как неправильно складываются РНК и как такие события можно исправить. Ученые считают, что многие заболевания связаны или потенциально связаны с неправильным сворачиванием и соответствующим процессингом РНК в клетках.
Лечения, которые уже нацелены на рибосомы, также могут быть улучшены. Некоторые современные антибиотики, в том числе класс, известный как аминогликозиды, работают путем связывания с участками бактериальных рибосом, которых нет на рибосомах человека. Эти лекарства могут иметь побочные эффекты, потому что они также повреждают рибосомы полезных бактерий, например, в кишечнике.
«Когда мы более полно поймем, как собираются и функционируют бактериальные рибосомы, мы потенциально сможем воздействовать на них таким образом, чтобы воздействовать на более узкую группу вредных видов бактерий и избавляться от полезных, уменьшая побочные эффекты для пациентов», - говорит Дасс.
Поскольку рибосомы функционируют как производители белка, они также имеют решающее значение для выживания быстрорастущих опухолевых клеток. Несколько классов противораковых препаратов уже работают, тем или иным образом замедляя образование рибосом. Лучшее понимание человеческой рибосомы, в принципе, позволит более точно нацелить ее сборку и эффективно блокировать рост рака, отмечает Дасс.