Nowe badania szczegółowo pokazują, jak fragment RNA bakterii – będący przodkiem kluczowej maszynerii genetycznej u człowieka – odcina się od cząsteczki macierzystej.

Ten odcinek RNA przeskakuje w genomie gospodarza bakteryjnego, wkładając się i usuwając w razie potrzeby. Naukowcy z laboratorium badaczki RNA Anny Marie Pyle stworzyli szczegółowe mapy molekularne przedstawiające konformację bakteryjnego RNA i jego białka pomocniczego w trzech punktach, w których przygotowuje się do rozpoczęcia swojej podróży. Ich wyniki zostały opublikowanelink zewnętrzny, otwiera się w nowej karcie 22 listopada 2023 r.

W ciągu eonów ewolucji potomkowie tego kompleksu RNA-białko przedostali się do innych żywych istot. Zdolność jednej z takich maszyn RNA do łączenia materiału genetycznego stała się niezbędna dla wielu organizmów, w tym człowieka. Ze względu na duży zasięg układu bakteryjnego praca ta może otworzyć wiele nowych kierunków badań.

„Struktury te mają ważne implikacje dla opracowywania nowych leków, zrozumienia chorób i ewolucji tych układów” – mówi Pyle, badacz z Instytutu Medycznego Howarda Hughesa na Uniwersytecie Yale. „A przede wszystkim ilustrują niezwykle dynamiczne zachowanie RNA”.

Matka wszystkich maszyn do łączenia

Tę maszynę RNA-białko, formalnie znaną jako intron grupy II, i jej potomków można obecnie spotkać we wszystkich królestwach życia. U ludzi i wielu innych organizmów członek tej linii, spliceosom, przygotowuje surowe RNA, nowo transkrybowane z DNA, na mRNA, czyli instrukcję wytwarzania białka. Naukowcy szczegółowo przyjrzeli się spliceosomowi, a zespół Pyle’a chciał dowiedzieć się więcej o jego przodku, intronie grupy II.

Naukowcy mieli już podstawowe pojęcie o działaniu układu intronów: zaczyna się on jako nić RNA (czarna linia poniżej) z białkiem zwanym maturazą (pomarańczowy), zakotwiczającym go w odpowiednim miejscu. Nić ta zapętla się z powrotem, zanim dwie kolejne reakcje chemiczne odetną ją od reszty RNA.

Pierwsze cięcie następuje, gdy jeden koniec (niebieski) nici reaguje z określonym składnikiem czteroliterowego kodu RNA, adenozyną (A), u podstawy pętli. Nowo uwolniony fragment RNA następnie styka się z drugim końcem (białym), odcinając ostateczne połączenie z intronem i łącząc dwa luźne końce głównej nici (niebieski i biały). Etapy te zachodzą bez konieczności spalania przez komórkę energii chemicznej, która często napędza takie reakcje.

Zespół badaczy z laboratorium Pyle’a — Ling Xu, doktorant oraz Tianshuo Liu i Kevin Chung, doktoranci — postanowili przyjrzeć się bliżej trójwymiarowej strukturze układu intronów podczas tego procesu. Z pomocą ośrodka CryoEMlink zewnętrzny, otwiera się w nowej karcie w kampusie badawczym Janelia w HHMI zespół wykorzystał kriomikroskopię elektronową – w której cząsteczki są zamrażane, a następnie bombardowane elektronami – aby zmapować kompleks na początku i po każdej z dwóch reakcji.

Z tych obrazów dowiedzieli się, że splicing opiera się na mechanicznym ruchu odcinka RNA zawierającego adenozynę w punkcie rozgałęzienia (czerwony, poniżej). Początkowo zakotwiczona w poziomie (po prawej), ta sekcja odchyla się w dół o 90 stopni (po lewej) po pierwszej reakcji. Ten ruch wywołuje drugą reakcję.

Badając struktury, zidentyfikowali źródło energii potrzebnej do łączenia. Skręt w szkielecie RNA rozwija się po pierwszej reakcji, napędzając ruch w dół części zawierającej adenozynę.

Starożytny system, współczesne znaczenie

Zdaniem Maxa Wilkinsona mechanizm odkryty przez zespół Pyle’a wydaje się zasadniczo identyczny z tym, co wykazały wcześniejsze badania w przypadku jego potomka, spliceosomu.link zewnętrzny, otwiera się w nowej karciebiolog strukturalny RNA i postdoc w laboratorium badacza HHMI Feng Zhanga na MIT, który badał spliceosom u ludzi i komórek grzybów.

Chociaż tylko jedno białko wspomaga bakteryjny RNA, wersje ludzkie i grzybowe wymagają znacznie więcej, mówi. System bakteryjny „dokonuje tego w znacznie prostszy sposób niż u nas, skomplikowanych ludzi”.

Odkrycie to sugeruje, że ten mechanizm splicingu prawdopodobnie istniał już od początków ewolucji komórek, mówi Wilkinson, który nie był zaangażowany w ostatnie badania.

Choć system wydaje się tak stary, odkrycia zespołu mogą mieć konsekwencje dla współczesnego zdrowia. Ponieważ komórki grzybów posiadają introny grupy II, ale ludzie nie, kompleks ten jest potencjalnym celem dla leków przeciwgrzybiczych, które selektywnie go zakłócają. Grupa Pyle’a bada system intronów jako cel opracowania leków przeciwko infekcjom grzybiczym, w tym histoplazmozie i jej krewnym.

Oprócz spliceosomu prawdopodobni potomkowie intronu grupy II obejmują także mobilne elementy genetyczne, zwane retrotranspozonami, które przeskakują w obrębie ludzkiego genomu. Jedną rodzinę tych lejków genowych u ludzi, znaną jako LINE-1, powiązano z rakiem i chorobami autoimmunologicznymilink zewnętrzny, otwiera się w nowej karcie.

Introny grupy II „są dobrymi modelami do uczenia się nie tylko o spliceosomie, ale także o innych podobnych elementach genetycznych istotnych dla zdrowia ludzkiego” – mówi Pyle.

###

Cytaty:

Xu, L., Liu, T., Chung, K. i in. Strukturalny wgląd w katalizę intronów i dynamikę podczas splicingu. Natura (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06746-6link zewnętrzny, otwiera się w nowej karcie

Xiao-Jie, L., Hui-Ying, X., Qi, X. i in. LINE-1 w raku: wieloaspektowe funkcje i potencjalne implikacje kliniczne. Genet Med 18, 431–439 (2016). https://doi.org/10.1038/gim.2015.119link zewnętrzny, otwiera się w nowej karcie