Повреждённая матричная РНК может останавливать клеточные машины, синтезирующие белок
Повреждение ДНК — серьёзная проблема для всех клеток, особенно при раке, когда механизмы репарации часто не работают. Те же агенты, что повреждают ДНК, также повреждают её "сестринскую" молекулу — матричную РНК (mRNA), которая переносит транскрипты генов к десяткам тысяч рибосом в клетке. Однако этому повреждению уделялось мало внимания.
"Все думали: "Зачем заботиться о матричной РНК? Эти молекулы имеют высокую скорость обновления и быстро деградируют, так какое значение имеет повреждение одной из них?"", — говорит Хани Захер, PhD.
"В организмах вроде E. coli или дрожжей это, вероятно, верно, — говорит Захер. — Но в нейронах этот аргумент не работает, потому что mRNA может сохраняться, в некоторых случаях, в течение дней. И если эта mRNA серьёзно повреждена, это может стать большой проблемой".
"Могут быть случаи, когда матричная РНК так же важна, как и ДНК", — говорит Кэрри Симмс, PhD. "Очевидно, что окислительное повреждение РНК как-то связано с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера и БАС".
"В нормальных условиях окислено только около 1% клеточных mRNA, — говорит Захер, — но если у вас есть окислительный стресс, по любой причине, повреждённым может быть больший процент". Одно из отличительных признаков болезни Альцгеймера — окислительный стресс, и исследования показали, что у людей с развитой стадией болезни Альцгеймера может быть окислена половина молекул РНК в нейронах.
В выпуске Cell Reports от 13 ноября Захер, Симмс и их коллеги сообщают, что когда они "скормили" окисленную mRNA рибосомам (наномашинам, преобразующим mRNA в белок), рибосомы "заклинивало" и они останавливались.
Заклинившую рибосому можно было "спасти" факторами, которые высвобождали её из mRNA и разрушали повреждённую матрицу. Но если факторы этой системы контроля качества отсутствовали, повреждённая mRNA накапливалась в клетке, как это происходит при болезни Альцгеймера.
Неожиданный результат
Чтобы проверить устойчивость трансляции, лаборатория Захера попыталась нарушить её, предоставив рибосомам дефектные транскрипты mRNA. Они повредили одну "букву" в трёхбуквенном кодоне mRNA, окислив G (гуанин), чтобы создать так называемый 8-oxo-G.
"Мы выбрали это окисленное основание, — говорит он, — потому что знали, что при копировании ДНК окисленный G вызывает ошибку. Вместо того чтобы спариваться с C, как обычно, 8-oxo-G будет спариваться с A". Он ожидал, что рибосома прочитает кодон C[8-oxo-G]C не как CGC, а как CAC и, следовательно, вставит неправильную аминокислоту в белковую цепь.
Но когда 8-oxo-G добавили в "суп", содержащий все факторы, необходимые для трансляции mRNA в белок, произошло нечто удивительное.
"Мы ожидали, что можем получить аномальные белки, — говорит Симмс. — Но рибосома не делала ошибок. Она просто останавливалась. Она вообще не могла справиться с mRNA". Учёные поняли, что она застряла, потому что уровни белка, который кодирует дефектная mRNA, резко упали.
Чтобы убедиться, что важнее присутствие, а не положение 8-oxo-G, Симмс создала mRNA с 8-oxo-G в каждой из трёх позиций кодона. Каждый раз рибосома останавливалась.
No-go decay (распад при остановке)
Симмс создала более длинную зондирующую mRNA из 300 нуклеотидов. Вместо того чтобы добавлять повреждённую mRNA в реконструированную бактериальную систему, она поместила её в экстракты клеток растений и животных. "Мы не могли наблюдать за рибосомами в экстрактах, — говорит Симмс, — но мы могли наблюдать за производимыми ими белками. Они создавали короткие белки, точно такой длины, как если бы рибосома останавливалась на повреждённом основании".
Одна молекула mRNA обычно имеет несколько рибосом, движущихся вдоль неё и одновременно транслирующих её в белок. Когда первая рибосома останавливается, другие накапливаются позади неё. "Вы получаете этот небольшой продукт, который говорит вам, что рибосома не может пройти через 8-oxo-G, а затем вы получаете ещё более мелкие продукты, которые говорят вам, что за первой рибосомой застряли несколько других. Таким образом, заблокированные рибосомы создают "лестницу" пептидов", — говорит Захер.
"Это проблема, — говорит он. — Рибосома — дорогая машина, на создание которой клетка затратила много энергии, и теперь она застряла на mRNA. Эти рибосомы нужно вернуть".
К счастью, у рибосом есть три системы контроля качества, которые следят за ошибками в mRNA и "спасают" рибосому, если обнаруживают серьёзные ошибки. Одна из этих систем — "no-go decay". Когда рибосомы застревают и не могут двигаться вперёд, они рекрутируют факторы, которые размыкают рибосому, разрушают mRNA и добавляют к дефектному пептиду метку, помечающую его для деградации.
Но no-go decay изначально был обнаружен путём создания искусственных препятствий на пути рибосомы: mRNA с большими шпильками, которые рибосома не могла развернуть или преодолеть. "Четыре миллиарда лет эволюции позаботились о том, чтобы в вашем геноме не было последовательностей, образующих шпильки, так что это явно не те мишени, для которых предназначен no-go decay", — говорит Захер.
Были ли окисленные mRNA мишенью?
Не просто посредник
Чтобы выяснить это, учёные обратились к дрожжевым клеткам. Если рибосомы дрожжей заклинивало на окисленной mRNA, но их спасал no-go decay, в клетке накапливалось бы очень мало повреждённой mRNA. Так и оказалось.
Затем Симмс удалила ген фактора, который высвобождает рибосому из mRNA при её заклинивании. В этих нокаутных дрожжах уровень окисленной mRNA повысился. Затем она удалила ген фактора, который рекрутируется для деградации mRNA после высвобождения рибосомы, и снова уровень окисленной mRNA вырос. Без no-go decay клетки явно были в беде.
"Система, которая транслирует mRNA в белок, высококонсервативна, поэтому то, что верно для дрожжей, вероятно, верно и для людей", — говорит Захер.
Связана ли окисленная mRNA с болезнью? Недавно Science опубликовал работу, показывающую, что мыши с двойным дефектом в их системе трансляции имеют тяжёлое нейродегенеративное заболевание, говорит Захер. Один из дефектов — ошибка в тРНК мыши, которая останавливает рибосому, а другой — дефект в системе, которая спасает рибосому при её остановке. Мыши с обоими дефектами начинают испытывать проблемы с ходьбой и умирают через несколько недель.
"Люди всегда говорили, что mRNA — это просто посредник, — говорит Симмс. — ДНК и белок — ключевые факторы, а РНК — это просто парень, который создаётся, затем обновляется и не так уж важен. Но мы видим, что он важен; гораздо важнее, чем мы думали".
"Ретроспективно ясно, что mRNA имеет значение, — говорит Захер. — Вот почему у нас эволюционировали три независимых пути, чтобы убедиться, что сломанные mRNA не задерживаются надолго".