Биофизические методы раскрывают динамические движения в молекулярных машинах, разрушающих РНК

Исследователи из Регенсбургского центра биохимии (RCB) и Регенсбургского центра сверхбыстрой наноскопии (RUN) при Университете Регенсбурга получили уникальное представление о структуре, динамике и функции динамических компонентов экзосомы — молекулярной машины клетки, разрушающей РНК. Результаты не только дают биологическую информацию о деградации РНК, но и являются методологическим прорывом в структурном изучении биомолекул.

Работа показывает, что комбинация экспериментальных и компьютерных биофизических методов позволяет исследовать динамику в крупных молекулярных машинах. Такие исследования ранее были невозможны. Междисциплинарная команда под руководством доктора Йобста Либау, доктора Даниэлы Лаззаретти, профессора д-ра Тилля Рудака и профессора д-ра Ремко Спрэнгерса сообщает о своих выводах в Nature Communications.

Чтобы понять, как белковые комплексы выполняют свои функции, необходимо понять, как они выглядят. Для этого в текущем исследовании использовался крио-электронный микроскоп высокого разрешения Университета Регенсбурга, чтобы выяснить статическую структуру молекулярной машины.

«Эти структуры очень важны, но недостаточны, — говорит профессор д-р Спрэнгерс. — Чтобы по-настоящему понять функцию белков, нам нужно понять, как они движутся и как их структура меняется при выполнении функции. Это задача даже более сложная, чем определение жёсткой структуры».

Используя спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР), его исследовательская группа изучает, как белки меняют свою структуру для выполнения функции. Для визуализации этих изменений используются молекулярно-динамические (MD) симуляции, которые рассчитывают динамические структурные модели.

«Комбинация ЯМР и MD работает аналогично микроскопу с очень высоким пространственным и временным разрешением и предоставляет своего рода фильм об атомном взаимодействии белков», — объясняет профессор д-р Рудак.

Однако метод ЯМР часто работал только для небольших белков. «ЯМР часто достигает своих пределов с более крупными белковыми комплексами. Теперь мы достигли прорыва, который позволяет изучать гигантов микроскопического мира белков, таких как комплекс РНК-экзосомы, играющий ключевую роль в деградации РНК», — объясняет д-р Либау, первый автор исследования.

«Кроме того, нам удалось изучить области комплекса экзосомы, которые ранее были невидимы для всех других методов», — добавляет д-р Лаззаретти.

РНК-экзосома состоит из 10 различных белков и разрушает РНК. «Тот факт, что мы можем измерить движения ранее невидимых областей, позволяет нам анализировать кратковременные взаимодействия между РНК и экзосомой», — объясняет д-р Либау.

Некоторые области белка движутся чрезвычайно быстро, совершая движение несколько миллиардов раз в секунду. Другие, в основном более крупные регионы, движутся медленнее: всего 30 раз в секунду. Именно эти медленные движения часто оказываются центральными для функции белковых комплексов.

Например, исследователи смогли идентифицировать область в РНК-экзосоме, которая движется примерно с той же скоростью, с которой экзосома разрушает РНК. Прямую связь ещё не удалось доказать, но без движения не было бы деградации РНК.

Таким образом, исследование даёт больше, чем статичное изображение. Скорее, оно предоставляет своего рода фильм, предлагающий взгляд на динамические процессы деградации РНК комплексом экзосомы. «Жизнь — это движение, — объясняет профессор д-р Рудак, — и взаимодействие метода ЯМР и MD-симуляций даёт глубокое понимание динамического мира белков».

«Комбинация различных биофизических методов для выяснения структурной динамики является groundbreaking для будущих исследований. Мы только начинаем понимать ту роль, которую динамика играет в функции белков», — добавляет профессор д-р Спрэнгерс.

Своим исследованием учёные заложили основу для превращения ранее статичных изображений микрокосма клетки в движущиеся.