Ученые получили изображение микро-РНК в действии
Биологи из Исследовательского института Скриппса (TSRI) описали работу молекул микро-РНК на атомном уровне. Эти молекулы контролируют экспрессию генов у всех животных и растений.
Исследование значительно углубляет понимание фундаментальной системы регуляции в биологии и должно ускорить разработку методов терапии, использующих её потенциал.
«Мы получили самое чёткое на сегодняшний день представление о том, как работают эти ключевые регуляторы генов», — сказал доцент TSRI Иэн Дж. Макрей, старший исследователь в исследовании, опубликованном 31 октября 2014 года в журнале Science.
Генные «глушители»
Микро-РНК, как следует из названия, представляют собой короткие фрагменты рибонуклеиновой кислоты длиной всего около 22 нуклеотидов. Они кодируются генами, функционируют как молекулы РНК и никогда не транслируются в белки. У человека существует почти 2000 различных микро-РНК, которые коллективно регулируют от 30 до 80% генов.
Микро-РНК работают, перехватывая и эффективно «заглушая» РНК-транскрипты генов. Эти крошечные регуляторы действуют во всех многоклеточных организмах, включая растения и животных; они есть даже у некоторых вирусов. Их нормальная работа нарушается при многих заболеваниях человека. Однако их центральная роль в биологии стала очевидной лишь в последнее десятилетие, а детали механизма «глушения» начали проясняться только в последние несколько лет.
Микро-РНК работают не самостоятельно, а в комплексе с крупными белками Argonautes, к которым они, по сути, направляют свои РНК-мишени. В исследовании 2012 года, опубликованном в Science, Макрей и его аспирантка Николь Т. Ширл с помощью методов рентгеновской кристаллографии впервые определили атомную структуру человеческого белка Argonaute, связанного с микро-РНК и её РНК-мишенью.
Наблюдение за процессом
В новом исследовании учёным удалось определить структуру комплекса человеческий Argonaute + микро-РНК в момент связывания с РНК-мишенью. «Из этих структурных данных мы смогли увидеть детали того, как работает этот процесс», — сказал Макрей.
Данные показывают, что Argonaute удерживает молекулу микро-РНК таким образом, что изначально открыты лишь несколько её нуклеотидов — предположительно, чтобы минимизировать взаимодействие с РНК, не являющимися мишенями. Однако эти несколько открытых нуклеотидов микро-РНК будут связываться с комплементарными последовательностями на целевых РНК. Когда такой контакт происходит, Argonaute меняет свою структуру, чтобы обеспечить более тесное связывание с более подходящими мишенями.
«Ключевая спиральная структура на Argonaute сдвигается, позволяя дальнейшее спаривание оснований между микро-РНК и её мишенью, — сказала Ширл. — В целом, Argonaute меняет свою конформацию, чтобы расширить связывание и стабилизировать взаимодействие с подходящей РНК-мишенью».
Микро-РНК связываются с РНК-мишенями, которые соответствуют её последовательности лишь частично, короткими участками. Именно поэтому одна микро-РНК может перехватывать транскрипты сотен различных генов. При связывании с такими транскриптами комплекс микро-РНК–Argonaute привлекает другие молекулы, которые эффективно блокируют дальнейшую активность транскриптов. В отличие от них, родственные регуляторные молекулы, называемые короткими интерферирующими РНК (siRNA), более полно соответствуют своим мишеням и заставляют Argonaute «глушить» их напрямую с помощью встроенного фермента, разрезающего мишень на две части.
Исследование проливает свет на то, как Argonaute переключается в этот более прямой режим «глушения». «Для разрезания требуется каталитический ион магния, который должен удерживаться в точном положении относительно мишени, — пояснила Ширл. — Теперь мы видим, что в структуре Argonaute, когда микро-РНК связана со своей мишенью, этот ион магния находится в неправильном положении, поэтому мишень не будет разрезана. Мы предполагаем, что более обширное спаривание с целевой РНК, как у siRNA, затем переместит ион магния в правильное положение, чтобы обеспечить разрезание».
Неиспользованный медицинский потенциал
Новые подробные структурные данные о работе комплекса микро-РНК–Argonaute представляют широкий научный интерес, но также могут оказать большое влияние на медицину. Огромный терапевтический потенциал препаратов, имитирующих или ингибирующих микро-РНК для контроля ключевых процессов в клетках, в настоящее время полностью не раскрыт.
«Существует целый новый класс препаратов, нацеленных на микро-РНК, которые были предложены и начали разрабатываться, — сказал Макрей. — И здесь мы предоставили информацию, которая должна быть очень полезной при проектировании таких лекарств».