Крио-микроскопия раскрыла структуру наноразмерной копировальной машины, связанной с происхождением жизни
Вопрос о том, как сложная молекулярная машинерия жизни возникла из простых начал, долгое время оставался открытым. Ряд данных указывает на существование первичного «мира РНК», где «РНК-копировальная машина» (репликаза) начала создавать копии себя и других молекул РНК, запустив эволюцию и саму жизнь. Однако древняя репликаза, по-видимому, была утеряна, и её роль в современной биологии взяли на себя более эффективные белковые машины.
Чтобы подтвердить гипотезу мира РНК, учёные пытаются воссоздать аналог РНК-репликазы в лаборатории. Хотя такие молекулярные «двойники» древней репликазы были обнаружены, их детальная молекулярная структура и механизм действия оставались неясными из-за сложности определения структуры динамичных молекул РНК.
Структура «любящей лёд» РНК-репликазы
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда учёных впервые сообщила об атомной структуре РНК-репликазы, определённой с помощью криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ).
Изучаемая РНК-репликаза была разработана в лаборатории Холлигера (MRC LMB, Кембридж, Великобритания) для эффективного копирования длинных матриц с использованием нуклеотидных триплетов в эвтектической ледяной фазе (аналогичной ледяной шуге).
Эмиль Л. Кристофферсен, ныне доцент Орхусского университета, после постдокторской стажировки в лаборатории Холлигера организовал сотрудничество с лабораторией Андерсена (Орхусский университет, Дания) для определения структуры РНК-репликазы методом крио-ЭМ. Интересно, что структура демонстрирует поразительное сходство с белковыми полимеразами: домены для связывания матрицы, полимеризации и распознавания субстрата расположены в молекулярной форме, напоминающей открытую руку.
«Было удивительно обнаружить, что рибозим, который мы искусственно создали в пробирке, проявляет черты природных белковых полимераз. Это указывает на то, что эволюция может находить конвергентные молекулярные решения независимо от того, является материал РНК или белком», — объясняет Филипп Холлигер, руководитель программы в MRC LMB, Кембридж.
Модель синтеза РНК в мире РНК
Чтобы лучше понять работу РНК-репликазы, исследователи провели всестороннее мутационное исследование, выявившее ключевые элементы структуры РНК. Анализ подтвердил особенности каталитического центра, а также показал важность двух так называемых взаимодействий «kissing-loop», которые связывают каркасную и каталитическую субъединицы, и значение специфического домена РНК для точности (фиделити) копирования цепей.
Хотя учёные не смогли определить структуру репликазы в действии во время активного копирования РНК, им удалось построить модель РНК-зависимого копирования РНК, согласующуюся со всеми экспериментальными данными.
«Крио-ЭМ — мощный метод для изучения структуры и динамических особенностей молекул РНК. Комбинируя данные крио-ЭМ с экспериментами, мы смогли построить модель внутренней работы этой сложной РНК-машины», — говорит Юэн Макрей, выполнивший работу по крио-ЭМ в качестве постдока в лаборатории Андерсена.
Перспективы для РНК-нанотехнологий и медицины
Исследование даёт первое представление о структуре РНК-репликазы, которая, как считается, находилась у самого корня древа жизни. Однако современные РНК-репликазы очень неэффективны (по сравнению с белковыми полимеразами) и пока не могут поддерживать собственную репликацию и эволюцию. Структурные данные, полученные в этом исследовании, могут помочь в разработке более эффективных механизмов репликации и приблизить нас к воссозданию сценариев мира РНК в пробирке.
«Свойства РНК-репликаз можно улучшить, используя химические модификации, которые могли существовать в мире РНК. Кроме того, исследования происхождения жизни приводят к открытию новых строительных блоков РНК, которые могут быть использованы в развивающейся области РНК-нанотехнологий и медицины», — объясняет Эббе Слот Андерсен, доцент Орхусского университета.