Ученые обнаружили два новых белка, связанных с развитием растений
Открытие двух новых белков может привести к созданию более эффективных способов регуляции структуры растений и их способности противостоять стрессам, таким как засуха, что повысит продуктивность сельского хозяйства. Исследование провели ученые из Texas A&M AgriLife Research.
Два белка, названные RICE1 и RICE2, описаны в майском выпуске журнала eLife. Работу возглавил биохимик доктор Сюрен Чжан.
ДНК содержит всю информацию, необходимую для построения организма, а молекулы РНК переносят эти инструкции к местам в клетке, где они используются. Однако клетки производят собственные РНК, и для правильного развития и реакции на окружающую среду им нужно строго определенное количество. Поэтому растения создают еще меньшие молекулы — микроРНК (miRNA), — которые удаляют лишнюю РНК и предотвращают синтез белков. Этот процесс называется РНК-интерференцией (silencing).
Понимание этого механизма важно, так как с его помощью можно регулировать количество РНК, помогая растению преодолевать барьеры для роста или справляться с неблагоприятными условиями.
Ключевым игроком в РНК-интерференции является многокомпонентный комплекс RISC (RNA-induced Silencing Complex), который содержит микроРНК и ферменты AGO. МикроРНК изначально существует в виде "близнецов", но один из них покидает комплекс, когда появляется белок AGO.
После того как микроРНК идентифицирует свою РНК-мишень для "заглушения", ферменты AGO разрезают эту РНК на два фрагмента — 5'-концевой и 3'-концевой.
"Эти фрагменты необходимо быстро удалить, чтобы комплекс RISC мог перейти к следующей мишени", — объясняет Чжан.
Было известно, как удаляется 3'-концевой фрагмент, но судьба 5'-концевого фрагмента оставалась менее ясной. Известно было лишь, что 5'-концевой фрагмент помечен химической группой — уридином (uridine), который сигнализирует RISC о необходимости его уничтожения.
С помощью протеомного анализа Чжан и коллеги расшифровали состав одного из типов комплекса RISC у модельного растения арабидопсиса (arabidopsis). Там они обнаружили белки RICE (RISC-Interacting Clearing Exoribonuclease).
Дальнейшее изучение биохимических свойств белков RICE показало, что это ферменты, расщепляющие РНК. Используя кристаллографию, доктор Пинвэй Ли обнаружил, что RICE1 имеет кольцевидную форму из шести идентичных молекул.
"Эта кольцевая структура очень важна: если ее нарушить, белок не выживет", — отмечает Ли. Это привело бы к проблемам в развитии растения.
Ученые проанализировали структуру RICE1 и идентифицировали его активный участок, ответственный за деградацию фрагментов РНК. Он скрыт на стыке двух молекул RICE.
Когда эти активные участки блокировались, уровень микроРНК был низким, а количество помеченных уридином 5'-концевых фрагментов — высоким. Комплекс RISC не мог работать правильно, что вызывало проблемы в росте и развитии растения.
Эти результаты позволяют предположить, что белки RICE расщепляют 5'-концевые фрагменты, модифицированные уридином, чтобы поддерживать активность комплекса RISC.
Белки RICE сходны у растений и животных, поэтому, вероятно, их аналоги у человека играют похожую роль и важны для развития организма.
Следующая задача — детально изучить механизм работы белков RICE. Это может привести к новым способам управления эффективностью комплекса RISC и уровнями микроРНК для изменения архитектуры организмов и повышения устойчивости к стрессам в биотехнологических приложениях.