Видео впервые показали, как РНК переключается между состояниями «включено» и «выключено»

Рибопереключатели (riboswitches) в РНК, подобно выключателю света, определяют, какие гены «включаются» или «выключаются». Исследователи из Северо-Западного университета и Университета Олбани обнаружили, что один участок РНК плавно внедряется и вытесняет другой участок той же молекулы РНК, что позволяет структуре быстро и кардинально менять форму. Этот механизм, называемый «вытеснением цепи» (strand displacement), по-видимому, переключает генетическую экспрессию из состояния «включено» в «выключено».

Открытие было сделано с помощью симуляции R2D2 ("reconstructing RNA dynamics from data"), запущенной в прошлом году. Она моделирует РНК в трёх измерениях, показывая, как она связывается с соединением, передаёт сигнал по своей длине и сворачивается, чтобы включить или выключить ген.

Результаты могут иметь значение для разработки новых РНК-диагностик и для создания лекарств, нацеленных на РНК для лечения болезней. Исследование опубликовано 28 марта в журнале Nucleic Acids Research (NAR) и получило статус «Прорывная статья» (Breakthrough Article).

«Мы обнаружили этот механизм вытеснения цепи и в других типах молекул РНК, что указывает на его потенциальную общность для сворачивания РНК», — сказал соавтор работы Джулиус Б. Лакс.

«Прорывной подход» R2D2

R2D2 сочетает экспериментальные данные о сворачивании РНК на уровне нуклеотидов с прогностическими алгоритмами на атомном уровне, чтобы смоделировать этот процесс в ультра-замедленной съёмке. Как отметил директор Национальных институтов здоровья (NIH) Фрэнсис Коллинз, предыдущим компьютерным симуляциям десятилетиями не хватало экспериментальных данных для подтверждения математического моделирования.

Дальняя коммуникация

Новые модели показывают рибопереключатель из бактерии Bacillus subtilis. У таких переключателей две основные части: одна связывается с соединением, а вторая, в зависимости от связывания, вызывает сворачивание РНК в форму, контролирующую экспрессию гена. У Bacillus subtilis эти части разделены большим расстоянием.

«Если химическое вещество связывается на одном конце, то как этот сигнал передаётся на другой конец РНК? Это было загадкой», — сказал Лакс.

Исследователи выяснили, что рибопереключатель, вероятно, передаёт сигнал с помощью механизма вытеснения цепи. В ответ на связывание химического соединения этот процесс запускает структурное переключение между состояниями «включено» и «выключено».

Оптимизация РНК для лекарств и диагностики

Это новое понимание открывает путь для оптимизации рибопереключателей для полезных задач. Например, их можно использовать в диагностиках на основе синтетической биологии — запрограммировать на «включение» в присутствии загрязнителя окружающей среды. Изучение этого переключателя также может привести к новым подходам для создания лекарств, нацеленных на РНК, или новых классов антибиотиков.

«Многие болезни, вероятно, вызваны сбоями на уровне РНК. Чем больше мы об этом знаем, тем лучше мы можем разрабатывать РНК-таргетные препараты и РНК-терапию», — заключил Лакс.