В результате открытия, которое указывает на потенциальные новые антибиотики, ученые из Университета Райса и Мичиганского университета расшифровали работу обычного, но малоизученного бактериального переключателя, который отключает производство белка до того, как оно начнется.
Многие грамположительные бактерии используют рибопереключатели Т-бокса для регулирования производства белков, которые используют аминокислоты, основные строительные блоки всех белков. Исследование в Nature Communications описывает, как один из этих переключателей, регулятор глицина в Bacillus subtilis, переворачивается и фиксируется в положении «включено» с помощью защелкивающегося механизма. Задействование замка увеличивает выработку белков, использующих глицин, простейшую аминокислоту. Исследователи также подробно описали положение переключателя «выключено»: один глицин на кончике фиксирующего рычага блокирует выработку белка.
«Рибопереключатели T-box интригуют, потому что они регулируются - включаются или выключаются - молекулами, играющими ключевую роль в производстве белка», - сказал соавтор исследования Эдвард Никонович, профессор биологических наук в Райс. «Хотя они были обнаружены четверть века назад, до сих пор не совсем ясно, как они работают. Выделив их структурные и кинетические детали, мы надеемся подогреть интерес к этим переключателям как к потенциальным мишеням для новых антибиотиков».
Новые антибиотики могут помочь предотвратить надвигающийся кризис в области здравоохранения, сказал Никонович. Центры по контролю и профилактике заболеваний ожидают, что устойчивые к антибиотикам бактерии убьют не менее 23 000 человек в США в этом году, и, если нынешние тенденции не будут сдерживаться, по оценкам Всемирной организации здравоохранения, к 2050 году устойчивые к лекарствам патогены убьют 10 миллионов человек. человек в год по всему миру.
Рибопереключатели Т-бокса, подобные тому, который был выделен в новом исследовании, жизненно важны для многих грамположительных бактерий, широкого класса, который включает патогены, вызывающие туберкулез, гангрену, ботулизм, сибирскую язву, воспаление внутренней оболочки сердца и другие болезни.
Рибопереключатели T-box расположены на цепочках матричной РНК (мРНК), чертежах белков, которые копируются непосредственно из клеточной ДНК. В сложных организмах, таких как животные и растения, запись или «транскрипция» мРНК происходит в хранилище ДНК, называемом ядром. Только после того, как мРНК покинет хранилище, ее сообщение может быть использовано или «переведено» в новый белок. Поскольку у бактерий нет ядра, «транскрипция» мРНК и «трансляция», декодирование мРНК рибосомами для создания новых белков, происходят в непосредственной близости.
«Рибовключатели распространены во многих бактериях, но не у людей, что делает их такими привлекательными мишенями для новых лекарств», - сказал соавтор исследования Нильс Уолтер, профессор Фрэнсиса С. Коллинз Коллегиальный профессор химии, биофизики и биологической химии Мичиганского университета. «Рибопереключатели T-box регулируют транскрипцию, написание самой информационной РНК, но используют блокирующий рычаг, заимствованный из механизма трансляции, что делает его уникальным мастером на все руки».
Чертежи мРНК используются для создания белков, рабочих лошадок биологии. Клетки одновременно используют миллионы белков, но каждый из них состоит из одних и тех же 20 строительных блоков - аминокислот, которые рибопереключатели Т-бокса помогают регулировать в грамположительных бактериях. Чтобы сделать белок, клетки нанизывают аминокислоты один за другим, как бусины на ожерелье, в порядке, указанном в инструкциях по мРНК.
Спусковой механизм запирающего рычага в глициновом Т-боксе рибопереключателя является частью другой молекулы, называемой транспортной РНК (тРНК). В клетках есть много типов тРНК, но каждый из них действует как своего рода автомобиль, доставляя полезные нагрузки к рибосоме, где белки связаны друг с другом. Каждый тип тРНК может нести только один тип аминокислот.
В новом исследовании Уолтер и Никонович разработали эксперимент, в котором специфические для глицина молекулы тРНК, некоторые из которых загружены глицином, а другие не загружены, проходили мимо и случайным образом присоединялись к рибопереключателю T-box.
«Команда Эда смогла прикрепить флуоресцентный маркер к тРНК таким образом, чтобы он не мешал их связыванию», - сказал Уолтер. «Моя лаборатория использовала метод, называемый «микроскопия флуоресценции одиночной молекулы», чтобы исследовать динамические ассоциации одиночных рибопереключателей Т-бокса с тРНК, независимо от того, был ли присоединен глициновый груз или нет».
Каждый раз, когда тРНК с прикрепленной флуоресцентной меткой занимала позицию на рибопереключателе T-box, в микроскопе появлялся яркий сигнал. Точно измерив, как долго длился сигнал и, следовательно, как долго молекулы оставались на месте, команда смогла реконструировать скорость связывания и, в конечном итоге, механизм блокировки переключателя.
Никонович сказал, что он и Уолтер начали проект глицинового Т-бокса рибопереключателя около 2 1/2 лет назад.
«Глицин был самым простым случаем, отчасти потому, что в Т-боксе есть дополнительный домен, чувствительный к другим аминокислотам», - сказал он. «Есть вопросы о том, что делает этот домен и как он работает. Учитывая то, что мы уже узнали о рибопереключателе глицинового Т-бокса, я хотел бы расширить эту работу, чтобы посмотреть, что мы можем узнать из других типов Т-боксов.."
Уолтер добавил, что результаты могут также окупиться в развивающейся области нанотехнологий РНК, в которой ученые пытаются использовать шаблоны РНК для точного проектирования сложных структур.
«В активном, заблокированном положении комплекс Т-бокс-тРНК имеет очень стабильную трехмерную форму», - сказал он. «Возможно, их можно использовать для сверхстабильных кольцевых комплексов в новых биомиметических архитектурах».