Ученые раскрыли механизм исправления ошибок при транскрипции генов

Фермент РНК-полимераза II (Pol II), ключевой для экспрессии генов, транскрибирует ДНК в матричную РНК (mRNA). Ошибки транскрипции могут иметь пагубные последствия из-за многократной трансляции ошибочной mRNA в белок. Неточность транскрипции может приводить к старению и таким заболеваниям, как рак. Во время транскрипции Pol II может обнаружить ошибочно включенный нуклеотид РНК и совершить обратный ход (backtracking) для исправления ошибки. Однако механизм контроля точности транскрипции оставался в значительной степени загадкой.

Ученые из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) прояснили динамику обратного хода на атомарном уровне, построив кинетическую модель (Markov State Model) на основе обширных молекулярно-динамических (MD) симуляций. Они обнаружили, что обратный ход Pol II происходит ступенчато: сначала РНК смещается от активного центра (достигая "размотанного", frayed состояния), и лишь затем фермент переходит в конечное состояние обратного хода. Также было установлено, что лимитирующей стадией всего процесса является переход из размотанного состояния в состояние обратного хода.

Результаты были опубликованы в Nature Communications 19 апреля 2016 года.

• Ключевая аминокислота и механизм: Критическая аминокислота (Rpb1 Треонин 831) служит сенсорным зондом для обнаружения слабого взаимодействия между ошибочной РНК и матричной ДНК. Изгибающее движение мостовой спирали (bridge helix), где расположен этот треонин, способствует переходу РНК в размотанное состояние.
• Экспериментальное подтверждение: Предсказания модели были подтверждены экспериментами по сайт-направленному мутагенезу и анализами расщепления транскрипта в сотрудничестве с группой профессора Донга Вана из UCSD.
• Масштаб вычислений: Для работы потребовались крупномасштабные вычисления: симуляции общей длительностью ~50 микросекунд (25 миллиардов шагов MD) выполнялись на 10 000 CPU-ядрах в течение 4 недель на суперкомпьютере Shaheen в KAUST.
• Значение и перспективы: Результаты дают представление о фундаментальных механизмах транскрипции и открывают перспективы для понимания связанных с её неточностью заболеваний человека и проблем старения. В будущем можно будет изучить обратный ход на два и более нуклеотида, что прольет свет на механизмы паузы и остановки транскрипции, а также исследовать этот процесс при различных мутагенных повреждениях ДНК, таких как 8-oxoG и O6-метилгуанин (O6-mdG).