_ Oamenii de știință dezvăluie legătura structurală pentru inițiere a sintezei proteinelor în bacterii

În interiorul unei celule, ADN-ul poartă codul genetic pentru construirea proteinelor. Pentru a construi proteine, celula face o copie a ADN-ului, numită ARNm. Apoi, o altă moleculă numită ribozom citește ARNm, traducându-l în proteină. Dar acest pas a fost un mister vizual; oamenii de știință anterior nu știau cum se atașează ribozomul și cum citește ARNm.

Acum, o echipă de oameni de știință internaționali, inclusiv cercetători de la Universitatea din Michigan, a folosit microscopia avansată pentru a imagina modul în care ribozomii se recrutează la ARNm în timp ce acesta este transcris. de o enzimă numită ARN polimerază (RNAP). Rezultatele lor, care examinează procesul în bacterii, sunt publicate în revista Science.

„Înțelegerea modului în care ribozomul captează sau „recrutează” ARNm este o condiție prealabilă pentru tot ceea ce urmează, cum ar fi înțelegerea modului în care acesta poate începe chiar să interpreteze informațiile codificate în ARNm”, a spus Albert Weixlbaumer, cercetător de la Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire din Franța, care a co-condus studiul. studiază.

„Este ca o carte. Sarcina ta este să citești și să interpretezi o carte, dar nu știi de unde să iei cartea. Cum se livrează cartea cititorului?”

Cercetătorii au descoperit că RNAP-ul care transcrie ARNm desfășoară două ancore diferite pentru a se întinde în ribozom și asigură o bază solidă și începe sinteza proteinelor. Acest lucru este similar cu un maistru de la un șantier de construcții care supraveghează muncitorii care instalează o secțiune complexă a suprastructurii, confirmând în două moduri redundante că toate piesele sunt fixate în siguranță în punctele critice pentru stabilitate și funcționalitate maximă.

Înțelegerea acestora. procesele fundamentale deține un potențial mare pentru dezvoltarea de noi antibiotice care vizează aceste căi specifice în sinteza proteinelor bacteriene, potrivit cercetătorilor. În mod tradițional, antibioticele au vizat ribozomul sau RNAP, dar bacteriile găsesc adesea o modalitate de a evolua și de a muta pentru a crea o oarecare rezistență la aceste antibiotice. Înarmată cu noile lor cunoștințe, echipa speră să depășească bacteriile prin întreruperea mai multor căi.

„Știm că există o interacțiune între RNAP, ribozomi, factori de transcripție, proteine ​​și ARNm”, a spus seniorul UM. om de știință Adrien Chauvier, unul dintre cei patru co-lideri ai studiului. „Am putea viza această interfață, în special între RNAP, ribozom și ARNm, cu un compus care interferează cu recrutarea sau stabilitatea complexului.”

Echipa a dezvoltat un cadru mecanic pentru a arăta cum diverse componente ale complexului lucrează împreună pentru a aduce ARNm proaspăt transcrise în ribozom și acționează ca punți între transcripție și traducere.

„Am vrut să aflăm cum cuplarea RNAP și ribozomul este stabilit în primul rând”, a spus Weixlbaumer. „Folosind componente purificate, am reasamblat complexul – 10 miliarde de metru în diametru. Le-am văzut în acțiune folosind microscopia crio-electronică (cryo-EM) și am interpretat ceea ce făceau. Apoi trebuia să vedem dacă comportamentul componentele noastre purificate ar putea fi recapitulate în diferite sisteme experimentale.”

În celulele umane mai complexe, ADN-ul se află în nucleul cu pereți, unde RNAP servește ca „interpret”, descompune instrucțiunile genetice în mușcături mai mici. Acest dinam al unei enzime transcrie, sau scrie, ADN-ul în ARNm, reprezentând o copie special selectată a unei mici fracțiuni a codului genetic care este mutată în ribozom în citoplasma mult mai „încăpătoare”, unde este tradus în proteine, blocurile de bază ale vieții.

La procariote, cărora le lipsește un nucleu distinct și un „perete” al membranei interne, transcripția și traducerea au loc simultan și în apropiere una de cealaltă, permițând RNAP și ribozom să-și coordoneze direct funcțiile și să coopereze cu fiecare. altele.

Bacteriile sunt cele mai bine înțelese procariote și, datorită structurii lor genetice simple, au oferit echipei gazda ideală pentru a analiza mecanismele și mașinile implicate în Cuplarea ribozom-RNAP în timpul expresiei genelor.

Cercetătorii au folosit diverse tehnologii și metodologii pe specialitatea fiecărui laborator - crio-EM în grupul lui Weixlbaumer și spectrometria de masă de reticulare în celule a grupului din Berlin, realizată de Andrea Graziadei - pentru a examina procesele implicate.

Cu expertiză în biofizică, Chauvier și Nils Walter, profesor de U-M de chimie și biofizică, au folosit microscoapele lor avansate cu fluorescență cu o singură moleculă pentru a analiza cinetica structurii.

„Pentru a urmări viteza acestei mașini la lucru, am etichetat fiecare dintre cele două componente cu o culoare diferită. ”, a spus Chauvier. „Am folosit o culoare fluorescentă pentru ARN-ul în curs de dezvoltare și alta pentru ribozom. Acest lucru ne-a permis să le vedem cinetica separat la microscopul de mare putere.”

Ei au observat că ARNm care iese din RNAP a fost legat de subunitatea ribozomală mică (30S) în mod deosebit de eficient atunci când proteina ribozomală bS1 a fost prezentă, ceea ce ajută ARNm să se desfășoare în pregătirea pentru translație în interiorul ribozom.

Structurile crio-EM ale Webster și Weixlbaumer au identificat o cale alternativă de livrare a ARNm la ribozom, prin legarea ARN polimerazei de către factorul de transcripție de cuplare NusG, sau paralogul sau versiunea acestuia, RfaH. , care introduc ARNm în canalul de intrare ARNm al ribozomului de pe cealaltă parte a bS1.

Vizualizarea cu succes a primului Etapa stabilirii cuplării dintre RNAP și ribozom, echipa așteaptă cu nerăbdare o colaborare ulterioară pentru a afla cum trebuie să se rearanjeze complexul pentru a deveni complet funcțional.

„Această lucrare demonstrează puterea cercetării interdisciplinare efectuate în întreaga lume. continente și oceane”, a spus Walter.

Huma Rahil, doctorand în laboratorul Weixlbaumer, și Michael Webster, pe atunci postdoctorat în laborator și acum de la Centrul John Innes din Regatul Unit, a co-condus și lucrarea.

(Fluierul)