Обнаружена новая функция РНК, отвечающая за «включение» и «выключение» генов

Ученые из Научно-исследовательского института Скриппса пролили свет на функцию молекулярного переключателя, который включает и выключает гены в ответ на потребность клетки в энергии. Исследование, опубликованное 13 февраля 2011 года в онлайновой версии журнала «Nature Structural and Molecular Biology», показывает, что недавно открытые «рибопереключатели» РНК способны выполнять гораздо более сложные функции, чем считалось изначально. Кроме того, поскольку рибопереключатели пока что были обнаружены главным образом в бактериях, исследование может оказаться полезным для создания новых антибиотиков против вредоносных микроорганизмов.

«Исследование дает нам новое понимание того, как отдельная молекула РНК может интегрировать как положительные, так и отрицательные сигналы от клетки, – говорит старший автор Марта Федор, профессор Института химической биологии Скаггса при НИИ Скриппса. – Оно расширяет известные нам возможности рибопереключателей».

Рибопереключатели реагируют на концентрации молекул, производимых в результате клеточного метаболизма – процесса превращения или использования энергии, и таким образом регулируют активность генов. Новое исследование показывает, что отдельный рибопереключатель реагирует не просто на отдельный метаболит, как предполагалось ранее, а на множество таких соединений.

Включение и выключение генов

Каждый ген выполняет функцию «готового рецепта» строительства молекулы белка. Когда клетке нужен какой-то определенный белок, соответствующий ген, состоящий из ДНК, включается или переносится в информационную РНК, которая затем несет «белковый рецепт» к механизму клетки, производящему белок.

Много лет ученые считали, что белки, в отличие от ДНК и РНК, были единственными молекулами в клетке, способными выполнять сложные задачи, такие как регулирование активности генов или осуществление химических реакций. Но в течение последних двух десятилетий ученые обнаружили, что определенные типы молекул РНК способны брать на себя функции белков. Такими молекулами являются, например, рибопереключатели.

Открытые всего лишь около восьми лет назад, рибопереключатели являются короткими фрагментами РНК, располагающимися внутри информационной РНК белков, участвующих в клеточном метаболизме. Эти рибопереключатели связывают определенные метаболиты, и в зависимости от количества связей, рибопереключатели включают или выключают производство соответствующих белков.

До настоящего времени большинство ученых предполагало, что одному рибопереключателю соответствует один метаболит. Однако новое исследование, проведенное группой профессора Федор, показывает, что рибопереключатель может инкорпорировать сигналы от многих метаболитов одновременно.

Саморазрушающийся рибопереключатель

Группу профессора Федор интересовало изучение функции разновидности рибопереключателя, который связывается с метаболитом, называемым глюкозамин-6-фосфатом. Этот аминосахар, являющийся строительным элементом для многих гликозидов и гликанов, необходим для клеточных стенок и других жизненно важных структур клеток бактерий.

Этот рибопереключатель располагается в информационной РНК, которая несет в себе инструкции ферменту, отвечающему за производство глюкозамин-6-фосфата (GlmS). Было известно, что при избытке глюкозамин-6-фосфата в клетке рибопереключатель прекращает производство фермента GlmS, разрушая себя и свою информационную РНК. Это саморазрушение необходимо для выключения дальнейшего производства глюкозамин-6-фосфата.

С другой стороны, при низких уровнях концентрации глюкозамин-6-фосфата рибопереключатель glmS не саморазрушается, поддерживая функционирование информационной РНК.

Наблюдение, сбившее ученых с толку

Профессор Федор и ее аспирант Питер Уотсон разработали пробирный анализ для измерения количества рибопереключателя glmS в клетках дрожжей при увеличении концентраций глюкозамина. Однако во время опытов ученые столкнулись с находкой, приведшей их в замешательство.

Когда они выращивали свои дрожжи в энергетически-насыщенном бульоне, содержавшем глицерол (3-углеродный источник энергии), рибопереключатель вел себя, как и ожидалось, – т.е. выключал информационную РНК glmS в ответ на возрастающие концентрации глюкозамина. Однако если бактерии были выращены в бульоне, содержащем глюкозу (6-углеродный источник энергии), рибопереключатель уже не саморазрушался.

«Сначала мы думали, что что-то не так с нашей системой», — говорит Федор.

Но Федор и Уотсон решили эту задачу. Они обнаружили, что этот рибопереключатель может связывать как глюкозамин-6-фосфат, так и глюкозу-6-фосфат. Каждое из этих соединений, однако, приводит к противоположным результатам. Связывание глюкозамина-6-фосфата вызывает саморазрушение рибопереключателя и отключает ген glmS; связывание глюкозы-6-фосфата предотвращает саморазрушение и поддерживает ген glmS включенным.

«Долгое время ученые уделяли основное внимание способности рибопереключателей распознавать единственное соединение, но теперь мы выяснили, что рибопереключатели, ну или, по крайней мере, именно этот рибопереключатель, могут распознавать и множественные соединения», – говорит Уотсон.

Интегрирование сигналов

«Повышенные уровни концентрации глюкозы в клетке означают избыток энергии, – объяснил Уотсон. – Другими словами, клетки хотели бы расти и делиться и производить больше глюкозамин-6-фосфата для строительства новых клеточных стенок. Однако когда повышаются уровни концентрации глюкозамин-6-фосфата, клетки знают, что нужно прекратить его производство».

Таким образом, функция рибопереключателя glmS зависит от баланса между этими двумя – и, возможно, дополнительными – конкурирующими сигналами. «Такой тип комплексной подачи сигналов долгое время считался прерогативой белков, – говорит Федор. – Это еще один пример функции, которая, как считалось, принадлежала только белкам, а теперь мы знаем, что ее могут выполнять и РНК».

Федор и Уотсон сейчас проверяют, используют ли другие рибопереключатели этот же самый механизм. В отличие от рибопереключателя glmS, который саморазрушается, наиболее известные рибопереключатели регулируют деятельность своих информационных РНК, изменяя их трехмерные структуры в ответ на связывание метаболитов. Новые формы препятствуют транскрипции информационных РНК или их трансляции в белки.

Хотя рибопереключатели пока не обнаружены у человека, Федор уверена, что их открытие – всего лишь вопрос времени. «Самое замечательное в исследованиях в области РНК то, что мы всегда сталкиваемся с какими-нибудь неожиданными находками», – сказала она.

Источник: medicaldaily.com
Перевод: Vitaminov.net