Исследователи в исследовании, опубликованном в журнале Science, использовали биохимические эксперименты и криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ) для определения атомной структуры сложной сборки молекул, известной как трехпозиционная (3 ‘) машина для обработки концов мРНК гистонов. Эта машина играет фундаментальную роль в правильной деятельности и дублировании клеточного генома, и в случае дефекта она может привести к заболеваниям человека, включая рак.
Гистоновые белки обнаружены во всех растениях и животных, и они образуют структуру «бусинки на нитке», где ДНК в хромосомах оборачивается вокруг бусинок гистонов. Гистоны обеспечивают эффективную упаковку ДНК и помогают регулировать, какие гены «включены», а какие остаются «выключенными», – процессы, необходимые для правильного функционирования всех клеток.
Машина для обработки 3 ‘концов мРНК гистонов отвечает за разрезание – в нужном месте – транскрипта мРНК, который копируется из гена гистона и кодирует соответствующий белок гистона. Машина выполняет важную роль в производстве клетками гистоновых белков, которые происходят на высоких уровнях всякий раз, когда клетка делится, и должна реплицировать ее ДНК. Структура показывает, как машина активируется только после того, как она связывает мРНК гистона, предотвращая расщепление других РНК.
«Эта структура обеспечивает первое атомарное понимание критического процесса в клетках и прекрасно объясняет большой объем текущих знаний об этом механизме», – сказал старший автор Лян Тонг, доктор философии, Уильям Р. Кенан младший. Профессор кафедры биологических наук Колумбийского университета. "Ученые в этой области так долго ждали эту конструкцию, а элегантная амфорная форма оборудования – неожиданный бонус.
Эта структура также дает ценную информацию о других механизмах обработки 3′-концов РНК, поскольку они имеют общие ключевые компоненты с гистоновыми механизмами."
Недавние исследования Тонга показали, что канонический механизм находится в неактивной форме. Итак, теперь у ученых есть представление о том, как работает этот механизм.
«Эта структура – еще одна иллюстрация замечательной силы новой крио-ЭМ техники», – добавил Тонг.
Решение структуры этого комплекса, знаковое достижение молекулярной биологии, является кульминацией почти 40-летних исследований ряда лабораторий и молекулярных биологов.
«Я начал с проблемы мРНК гистонов и того, как она регулируется, когда я впервые начал свою лабораторию в качестве доцента в штате Флорида в 1974 году», – сказал соавтор исследования Уильям Марцлафф, доктор философии, заслуженный профессор биохимии и биофизики Университета Калифорнии.
Школа медицины и Интегративная программа в области биологических и геномных наук в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл. "И это, безусловно, самый важный вклад, который мы сделали в этой области исследований до сих пор."
«В течение долгого времени мы изучали различные части этой молекулярной машины, но теперь впервые мы знаем, как все части сочетаются друг с другом и работают вместе», – сказал Збигнев Доминский, доктор философии, профессор кафедры биохимии и биофизики. Медицинский факультет UNC, который руководил открытием многих компонентов машины. «Это как если бы кто-то открыл капот старого автомобиля, чтобы вы, наконец, могли увидеть, как выглядит и работает весь двигатель, внезапно узнав о неожиданных механических и функциональных деталях."
Домински был соавтором исследования с Томасом Уолцем, доктором философии, профессором и руководителем лаборатории молекулярной электронной микроскопии в Рокфеллеровском университете.
Особый хвост
Каждый белок производится в процессе, который начинается с гена. Специальные ферменты копируют или транскрибируют информацию в гене в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК), близкого молекулярного родственника ДНК в ядре клетки.
Специальная молекулярная машина, называемая машиной для обработки 3 ‘концов, должна затем разрезать эту цепь РНК в нужном месте, чтобы преобразовать ее в молекулу, называемую матричной РНК (мРНК), которая мигрирует в основную часть клетки и транслируется там в последний белок.
МРНК практически для всех белков обрабатываются одним типом машины для обработки концов 3 ‘, которая разрезает их в нужном месте и добавляет к ним специальный хвост. Транскрипты гистонов в клетках животных, которые кодируют гистоновые белки, необходимые для деления клеток, обрабатываются другой машиной, которая их разрезает, но не добавляет хвоста.
И это машина, с которой мы теперь хорошо знакомы благодаря этому революционному структурному исследованию.
«Никто на самом деле не знает, почему мРНК гистонов отличаются от других мРНК; это то, что мы называем теологическим вопросом», – пошутил Марцлафф.
Каждая машина для обработки концов канонической и гистоновой РНК 3 ‘состоит из более чем дюжины отдельных белков и молекул РНК. Некоторые из этих элементов присутствуют в обеих машинах, что предполагает общее эволюционное происхождение.
Поскольку машина для обработки гистона 3 ‘содержит те же три основных белка, что и каноническая машина, включая белок, который фактически расщепляет РНК, процесс активации двух машин, вероятно, аналогичен, хотя способ, которым две машины распознают свои РНК-мишени, является отчетливый.
Тонгу, Домински, Марцлаффу и их коллегам удалось собрать рабочую версию машины для 3 ‘обработки концов гистоновой РНК из 13 компонентов белка и 2 компонентов РНК, по существу, в пробирке.
Затем устройство было отображено с помощью криоэлектронных микроскопов в Центре структурной биологии Нью-Йорка (NYSBC), и последующая обработка данных в конечном итоге привела к структуре с разрешением, близким к атомному. Команда также смогла изменить ключевые компоненты, чтобы проверить их индивидуальные функции.
Амфора
Устройство машины получилось напоминать амфору с одной длинной ручкой.
Крио-ЭМ анализ также показал, как аппарат распознает гистоновую РНК и разрезает ее точно в нужном месте.
«Он обнаруживает два элемента цепи РНК, и только когда они присутствуют, режущее устройство в этой машине, так сказать, обнажает свои лезвия», – сказал Домински. "Здесь нет случайности, нет случайности; он раскалывает только то, что должен раскалывать, и исследование прекрасно показывает это."
Домински исследовал этот механизм процессинга гистоновой РНК с середины 1990-х годов, и вместе с Марцлуффом, Тонгом и другими он сделал ключевые открытия в отношении отдельных компонентов. «Это более или менее конец пути к пониманию того, как работает эта машина», – сказал он. "Мы довольно четко решили этот вопрос с помощью этого исследования, и это хорошее чувство."
Другими авторами были Ядун Сунь из Колумбийского университета и Исяо Чжан из Рокфеллеровского университета, Вэй Шен Айк из Колумбии и Сяо-Цуй Ян из UNC-Chapel Hill.
Марцлуфф является членом онкологического центра UNC Lineberger.
Национальные институты здравоохранения финансировали это исследование.