Обнаружены принципы сворачивания РНК
Исследовательская группа Северо-Западного университета под руководством профессора Джулиуса Лакса выявила новое понимание того, как молекулы РНК действуют как клеточные «биосенсоры», контролируя экспрессию генов в ответ на изменения в окружающей среде. Эти открытия могут повлиять на разработку будущих РНК-специфичных терапевтических средств, а также новых инструментов синтетической биологии для измерения наличия токсинов в окружающей среде.
Молекулы РНК играют ключевую роль в хранении и передаче генетической информации, подобно ДНК, а также выполняют функции, критически важные для живых систем, как и белки. В основе их функции лежит способность сворачиваться в сложные формы внутри клетки по принципу оригами.
Используя разработанную в его лаборатории технологию высокопроизводительного секвенирования нового поколения, которая химически визуализирует динамические формы сворачивания РНК, Лакс обнаружил сходство в тенденциях сворачивания среди семейства молекул РНК, называемых рибопереключателями. Рибопереключатели действуют как естественные биосенсоры, отслеживающие внутреннее и внешнее состояние клеток. Когда рибопереключатель связывается с молекулой, он меняет свою форму, что вызывает изменение в экспрессии генов.
«Эти рибопереключатели эволюционировали, чтобы сворачиваться в очень специфические формы, чтобы они могли распознавать другие соединения, менять свою форму при связывании с ними и в конечном итоге индуцировать изменение в экспрессии генов», — сказал Лакс. — «Мало что изучалось о том, как именно они могут сворачиваться и регулировать эти формы, особенно учитывая, что они делают это до того, как РНК полностью синтезированы. Мы узнали, что существует эволюционное давление на РНК, чтобы они не только сворачивались в конечную структуру, но и имели сходный и эффективный путь для этого».
Статья, описывающая работу под названием «A Ligand Gated Strand Displacement Mechanism for ZTP Riboswitch Transcription Control», была опубликована 21 октября в журнале Nature Chemical Biology.
Обнаружение сходства в сворачивании
Ранее команда использовала свою высокоразрешающую систему для изучения того, как рибопереключатель чувствует ион фторида. В новой статье они применили систему к рибопереключателю, ответственному за распознавание природной клеточной сигнальной молекулы ZTP, которая, по словам Лакса, функционирует как «сигнал тревоги» в клетках.
Несмотря на структурные и функциональные различия между рибопереключателями и их целевыми соединениями, Лакс обнаружил, что в обоих случаях рибопереключатели следовали одному и тому же пути сворачивания — последовательности форм, через которые проходит молекула РНК по мере её синтеза.
«Как только РНК синтезированы, они немедленно сворачиваются в форму, которая распознаёт молекулу. Если молекула присутствует, форма фиксируется и сохраняет структуру», — пояснил Лакс. — «Если молекулы нет, РНК разворачивается. Мы обнаружили, что это происходило в обоих случаях... Найдя связи с этими общими чертами, мы закладываем основу для кодирования этих принципов в качестве элементов дизайна для случаев, когда мы хотим использовать их для собственных целей».
Эти цели могут включать будущие стратегии доставки лекарств. В то время как многие терапевтические средства предназначены для лечения болезней, вызванных неправильным сворачиванием белков (например, болезнь Альцгеймера или Паркинсона), Лакс считает, что работа его лаборатории может помочь в лечении заболеваний, которые, как считается, запускаются на уровне РНК, включая спинальную мышечную атрофию.
Результаты также представляют собой шаг к использованию способности РНК быть естественным биосенсором. Сотрудничая с Центром синтетической биологии и Центром исследования воды Северо-Западного университета, лаборатория Лакса изучает, как рибопереключатели могут быть использованы в недорогих платформах синтетической биологии для обнаружения токсинов в окружающей среде, что может повлиять на здоровье сельскохозяйственных культур и качество воды.