|
Скрытый потенциал РНК в развитии биоинженерии будущего
|
|
|
|
Зарождение жизни на Земле и ее эволюция на протяжении миллиардов лет продолжают интриговать исследователей по всему миру. Центральная догма, или направленный поток генетической информации от матрицы дезоксирибозной нуклеиновой кислоты (ДНК) к транскрипту рибозной нуклеиновой кислоты (РНК) и, наконец, к функциональному белку, является основополагающим для клеточной структуры и функций. ДНК функционирует как схема клетки и несет генетическую информацию, необходимую для синтеза функциональных белков. И наоборот, белки необходимы для синтеза ДНК. Поэтому вопрос о том, возникла ли ДНК первой или белок, продолжает оставаться предметом дискуссий. Эта молекулярная версия вопроса о "курице и яйце" привела к предположению о существовании "Мира РНК". РНК в форме "рибозимов", или РНК-ферментов, несут генетическую информацию, аналогичную ДНК, а также обладают каталитическими функциями, как белки.
|
|
|
|
Открытие рибозимов еще больше укрепило гипотезу о мире РНК, согласно которой РНК выполняет двойные функции "хранения генетической информации" и "катализа", способствуя примитивной жизнедеятельности исключительно с помощью РНК. В то время как современные рибосомы представляют собой комплекс РНК и белков, рибозимы на ранних стадиях эволюции, возможно, были собраны воедино путем сборки отдельных функциональных блоков РНК. Чтобы проверить эту гипотезу, профессор Кодзи Тамура вместе со своей командой исследователей из департамента биологических наук и технологий Токийского научного университета провел серию экспериментов по расшифровке структуры функциональных рибозимов. Для этого они разработали искусственный рибозим, лигазу R3C, чтобы исследовать, как отдельные фрагменты РНК собираются вместе, образуя функциональную структуру. Их работа опубликована в журнале Life.
|
|
|
Дает более глубокое понимание своих исследований профессор Тамура государств", - лигазы R3C представляет собой рибозим катализирует образование 3',5'-фосфодиэфирных связей между двумя молекулами РНК. Мы изменили структуру, добавив специальные домены, которые могут взаимодействовать с различными эффекторами". Внутри рибосом, которые являются местом синтеза белка, звенья РНК собираются, чтобы функционировать как центры пептидилтрансферазы (PTCS) таким образом, что они образуют каркас для набора аминокислот (отдельных компонентов пептида/белка), присоединенных к тРНК. Это важный взгляд на эволюционную историю систем синтеза белка, но этого недостаточно, чтобы проследить эволюционный путь, основанный на гипотезе о мире РНК. Чтобы выяснить, регулируется ли аллостерически удлинение РНК, достигаемое путем связывания отдельных звеньев РНК вместе, исследователи изменили структуру лигазы R3C. Они сделали это, включив в рибозим короткие последовательности РНК, которые связывают аденозинтрифосфат (ATP), жизненно важную молекулу-переносчик энергии в клетках. Команда ученых отметила, что активность лигазы R3C зависела от концентрации ATP, причем более высокая активность наблюдалась при более высоких концентрациях ATP.
|
|
|
|
Кроме того, повышение температуры плавления (значение Tm) указывало на то, что связывание ATP с лигазой R3C стабилизировало структуру, что, вероятно, повлияло на ее лигазную активность. Аналогичным образом, при соединении последовательности L-гистидин-связывающей РНК с рибозимом они отметили увеличение активности лигазы при увеличении концентрации гистидина (ключевой аминокислоты). Примечательно, что повышение активности было связано с повышением концентрации ATP или гистидина; никаких изменений в ответ на другие нуклеотидтрифосфаты или аминокислоты не наблюдалось. Эти данные свидетельствуют о том, что ATP и гистидин действуют как эффекторные молекулы, которые запускают структурно-конформационные изменения в рибозиме, которые в дальнейшем влияют на стабильность и активность фермента. ATP является центральным энергоносителем клетки, который поддерживает многочисленные молекулярные процессы, в то время как гистидин является наиболее распространенной аминокислотой, которая содержится в активном центре ферментов и поддерживает их кислотно-щелочной состав. Учитывая важную роль ATP и гистидина во взаимодействиях с РНК и молекулярных функциях, эти результаты дают новое представление о роли РНК на ранних этапах эволюции, включая происхождение генетического кода.
|
|
|
|
Кроме того, инженерные рибозимы, подобные разработанному в этом исследовании, имеют значительные перспективы в множестве областей применения, включая адресную доставку лекарств, терапевтические средства, нанобиосенсоры, ферментную инженерию и синтез новых ферментов для использования в различных промышленных процессах. В целом, это исследование может дать представление о том, как произошел переход от мира РНК к современному "миру ДНК/белков". Фундаментальное понимание мира РНК, в свою очередь, может улучшить их использование в реальных приложениях. "Это исследование приведет к выяснению процесса "приобретения функций и кооперации на основе аллостеричности" в эволюции РНК. РНК-РНК взаимодействий РНК-амино взаимодействия кислоты и allostericity использованный в данном исследовании, могут направлять изготовления наноструктур произвольной РНК, с различными приложениями", - заключает профессор Тамура.
|
|
|
|
Источник
|
