Маленькая молекула РНК в цианобактериях влияет на метаболическую адаптацию
Исследователи под руководством профессора Вольфганга Р. Хесса и доктора Йенса Георга из Университета Фрайбурга обнаружили малую молекулу РНК, которая играет ключевую роль в адаптации метаболизма цианобактерий к доступному количеству железа в среде.
Кислородный фотосинтез — процесс, при котором растения, водоросли и цианобактерии генерируют кислород и используют солнечную энергию для синтеза органических веществ — зависит от железа. При низкой доступности железа цианобактерии снижают свою фотосинтетическую активность с помощью молекулы, названной исследователями IsaR1 ("iron stress activated RNA 1").
Железный парадокс
Железо — важный, но потенциально опасный элемент для фотосинтезирующих клеток:
- Трёхвалентное железо (Fe³⁺) с кислородом образует нерастворимую "ржавчину".
- Двухвалентное железо (Fe²⁺) может реагировать с молекулами клетки, образуя опасные свободные радикалы.
Известный и новый механизм регуляции
Известно, что многие бактерии регулируют уровень железа с помощью транскрипционного фактора Fur ("ferric uptake regulator"). При достатке железа Fur связывает его и подавляет экспрессию определённых генов. При дефиците железа Fur теряет атом железа, что позволяет бактериям производить белки для его усвоения.
Однако при нехватке железа бактериям также необходимо подавить экспрессию генов, кодирующих богатые железом белки, не являющиеся жизненно необходимыми в неблагоприятных условиях. Особенно это касается аппарата кислородного фотосинтеза — самой богатой железом надмолекулярной структуры в клетке. В этом процессе участвуют регуляторные РНК, одна из которых — IsaR1.
Тройное действие IsaR1
При низком уровне железа IsaR1 влияет на фотосинтетический аппарат тремя способами:
- Подавляет экспрессию множества белков, важных для фотосинтеза.
- Вмешивается в биохимический путь производства зелёного фотосинтетического пигмента хлорофилла, которого требуется меньше при дефиците железа.
- Противодействует экспрессии белков для железосерных кластеров, также важных в фотосинтезе.
Удивительная компактность
Примечательно, что IsaR1 состоит всего из 68 нуклеотидов, в то время как гены регуляторных белков часто требуют тысяч таких строительных блоков.
"Открытие, что такая короткая молекула РНК контролирует столь масштабную адаптационную реакцию в метаболизме и влияет на фотосинтетический аппарат на трёх разных уровнях, стало большим сюрпризом", — сказал Вольфганг Хесс.
Эти результаты не только раскрывают ранее неизвестную стратегию адаптации фотосинтезирующих цианобактерий, но и позволяют сделать важные выводы о регуляции фотосинтетических процессов у всех "зелёных" организмов, включая растения и водоросли.
Справка: Цианобактерии
Микрофоссилии строматолиты из Австралии показывают, что фотосинтезирующие цианобактерии — одни из древнейших форм жизни на Земле, существовавшие более трёх миллиардов лет назад. Их фотосинтетическая активность привела к накоплению кислорода в атмосфере, что в конечном итоге позволило эволюционировать животным и людям. Цианобактерии, особенно в океане, продолжают играть важную роль в экологических циклах.