Рибозимы в движении: впервые снят процесс самосборки РНК

Новое исследование, опубликованное в Nature Communications группой Марсии, впервые позволило запечатлеть движение рибозима — молекулы РНК, способной катализировать химические реакции. Учёные сняли почти покадрово, как эта молекулярная машина складывается, изгибается и собирается, раскрыв её сложную хореографию в беспрецедентных деталях.

Для этого использовали интегративный подход в структурной биологии, объединивший передовые методы: криоэлектронную микроскопию (cryo-EM), малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS), биохимию и энзимологию РНК, обработку изображений и молекулярное моделирование. Объектом изучения стал самосплайсирующийся рибозим группы II — молекула РНК, которая может «вырезать и вставлять» собственную последовательность, редактируя себя для выполнения функции.

Исследование возглавляла команда Марко Марсии, бывшего руководителя группы EMBL, а ныне адъюнкт-профессора и лидера группы SciLifeLab в Уппсальском университете (Швеция). Ключевую роль сыграли передовые установки и экспертиза EMBL в Гренобле, а также сотрудничество с Центром структурной системной биологии (CSSB) в Гамбурге и Итальянским технологическим институтом (IIT).

«Определение структур РНК — сложная задача. Присущая ей гибкость и отрицательный заряд делают РНК печально известной мишенью для структурных исследований», — отметил Шехар Джадхав, бывший докторант EMBL в Гренобле. — «Упорные усилия и масштабный скрининг на электронных микроскопах в итоге позволили нам визуализировать неуловимую динамику РНК».

Результатом стала самая полная на сегодняшний день «молекулярная лента» самосборки молекулы РНК, показывающая, как она избегает «бракованных дублей» — нефункциональных неправильно свёрнутых состояний, известных как кинетические ловушки.

Как один домен управляет процессом

В центре этого «производства» находится Домен 1 (D1) — центральный каркас рибозима и, как выяснилось, его режиссёр. Этот домен действует как молекулярные ворота, давая сигнал другим доменам (D2, D3, D4) вступить в процесс складывания в строго определённый момент.

Слабые движения ключевых частей молекулы D1 заставляют один из её участков открыться и дать дорогу следующему. Каждый домен присоединяется к сцене только тогда, когда предыдущий правильно установлен. Это создаёт бесшовную последовательность молекулярной хореографии, предотвращающую структурные ошибки и обеспечивающую безупречный финал — формирование структуры, способной катализировать химическую реакцию, необходимую для функции рибозима.

Съёмка скрытых дублей

Проанализировав сотни тысяч отдельных молекул РНК, команда реконструировала промежуточные «дубли», невидимые в статических кристаллических структурах. Эти мимолётные кадры показывают, как РНК исследует альтернативные позы, прежде чем занять окончательную конформацию.

«Чтобы захватить эти мимолётные кадры, нам пришлось разработать новые стратегии обработки изображений cryo-EM», — сказала Майя Топф, руководитель группы в CSSB и профессор Университетского медицинского центра Гамбург-Эппендорф.

Данные SAXS и молекулярно-динамическое моделирование дали дополнительное представление о конформационной пластичности, помогая учёным уточнить каждый структурный кадр и собрать полную картину. Исследователи обнаружили, что энергия, необходимая рибозиму для перехода между разными формами, очень мала. Это не только позволяет РНК плавно двигаться в реальной жизни, но и облегчает компьютерам точное моделирование этих естественных переходов.

«Одна из главных сильных сторон этой работы — синергия между передовыми структурными данными по РНК и нашим продвинутым молекулярным моделированием этой сложной системы», — отметил Марко Де Виво, руководитель лаборатории молекулярного моделирования и разработки лекарств IIT. — «Этот комбинированный подход прояснил с беспрецедентным атомарным разрешением динамику, управляющую всей сборкой этой молекулы РНК, что открывает новые пути для разработки лекарств, нацеленных на РНК».

От древних сценариев к современным применениям

Интроны группы II, рибозимы из этого «молекулярного фильма», считаются предшественниками сплайсосомы — сложной машинерии, которая редактирует РНК в клетках человека.

Раскрыв, как эти молекулы эффективно сворачиваются и избегают кинетических ловушек, исследование даёт новое представление о том, как ранняя РНК-жизнь могла развивать свои инструменты редактирования РНК. Помимо эволюционных теорий, эта работа также закладывает основу для дизайна и инженерии РНК, направляя создание молекул РНК для терапевтического использования или нанобиотехнологий.

Открывая дверь для ИИ, работающего с РНК

Детальные наборы данных и молекулярные механизмы, раскрытые в этом исследовании, предлагают ценный эталон для обучения и тестирования моделей искусственного интеллекта. Некоторые из определённых здесь структур РНК уже использовались в международных конкурсах CASP — тех же прогностических соревнованиях, которые породили AlphaFold.

«Ожидается, что эта работа сыграет ключевую роль в формировании подходов искусственного интеллекта к предсказанию структуры РНК, прокладывая путь к новому "AlphaFold для РНК"», — сказал Марко Марсия.

Эта конвергенция экспериментальной точности и машинного обучения знаменует новую фазу для структурной биологии РНК, где ИИ, cryo-EM и другие экспериментальные подходы могут учиться друг у друга, чтобы предсказывать, визуализировать и понимать динамику самой универсальной молекулы жизни.