Неожиданное притяжение между нуклеиновыми кислотами и жирами

Все клетки на Земле окружены жировым слоем липидов. Липидные мембраны защищают содержимое клеток, включая генетическую информацию, такую как РНК и ДНК. Новое исследование учёных из B CUBE — Центра молекулярной биоинженерии при Дрезденском техническом университете показывает, как липиды и РНК могут напрямую взаимодействовать и как это неожиданным образом регулирует активность РНК. Исследование может помочь объяснить, как РНК могла регулироваться в первичных или синтетических биологических системах, и привести к улучшению дизайна РНК-вакцин.

Липиды и РНК — два из основных строительных блоков клеток. Рибонуклеиновая кислота (РНК) — это универсальная молекула. С одной стороны, как и ДНК, РНК кодирует генетическую информацию, необходимую для самовоспроизведения жизни. С другой стороны, как и белки, молекулы РНК осуществляют химические реакции. Молекула, которая может нести информацию и одновременно выполнять свои инструкции через химические реакции, привлекательна для синтетических биологов, пытающихся построить минимальные живые системы с нуля. Однако поиск простого способа контроля активности РНК всегда был ключевой проблемой.

В новом исследовании, опубликованном в журнале PNAS, Томаш Черняк и Джеймс Саенс обнаружили, что липиды могут напрямую модулировать активность РНК в простой синтетической системе. «Это открывает совершенно новый путь для размышлений о том, как мы можем использовать РНК-липидные взаимодействия в биоинженерии, например, для доставки мРНК-терапий», — говорит доктор Джеймс Саенс, руководитель исследовательской группы в B CUBE и старший автор исследования. Кроме того, их работа также может дать ключи к пониманию происхождения древней жизни. Согласно популярной гипотезе, сама жизнь, вероятно, возникла из самореплицирующихся молекул РНК, задолго до эволюции ДНК и белков. В этом сценарии простой и эффективный способ модуляции активности РНК был бы ключом к организации ранней жизни на древней Земле.

Мир РНК и липидов

Учёные проверили, насколько хорошо разные типы молекул РНК взаимодействуют с липидными мембранами. Они обнаружили, что некоторые РНК связываются с липидами лучше других, и это зависело от последовательности и структуры молекулы РНК. В частности, гуанин — одно из четырёх строительных блоков, составляющих РНК, — оказался решающим для прилипания РНК к липидам. Добавление дополнительных цепочек гуанинов к РНК делало их ещё более липкими, предоставляя способ контролировать силу РНК-липидных взаимодействий.

Оказалось, что гуанин не только напрямую усиливал связывание РНК с липидами, но и делал его более прочным, способствуя сворачиванию РНК в различные структуры. Одна из таких структур, называемая G-квадруплексом, встречается в клетках и известна как важный элемент активности и регуляции РНК. «Это открывает возможность того, что РНК-липидные взаимодействия могут происходить и в современных клетках, возможно, как реликт давно исчезнувшего мира РНК-липидов», — говорит Саенс.

Липиды дают РНК самоконтроль

После того как исследователи обнаружили, как создать РНК, которая лучше прилипает к липидам, они показали, что такие РНК-липидные взаимодействия можно использовать для контроля активности РНК, катализирующих химические реакции. «Это первый случай, о котором я знаю, когда кто-то продемонстрировал специфичные к последовательности эффекты того, как липид может влиять на катализ РНК», — говорит профессор Джеральд Джойс из Института биологических исследований Солка в Калифорнии, не участвовавший в исследовании.

Будущее РНК-липидных взаимодействий

«В качестве следующего шага мы хотели бы понять, как использовать РНК-липидные взаимодействия для создания синтетической жизни, и важны ли эти взаимодействия для современных организмов, включая человека», — объясняет Саенс. Команда также отмечает, что результаты их работы могут предложить новые способы конструирования липидных наночастиц для формул мРНК-вакцин.