Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ), метод, который исследует образцы при криогенных температурах, в сочетании с современным компьютерным моделированием, позволил исследователям визуализировать большие комплексы пре-инициации транскрипции (PIC) с разрешением, близким к атомному. PIC — это белковая сборка, которая позиционирует ферментную РНК-полимеразу, чтобы она могла начать транскрипцию.Новые структуры проливают свет на последовательные конформационные изменения в PIC на протяжении всего процесса инициации транскрипции, включая распознавание промоторной области ДНК, где начинается транскрипция гена, открытие этой промоторной области и инициирование транскрипции. Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Гены состоят из ДНК, которая служит хранилищем всей нашей генетической информации. Чтобы использовать информацию, закодированную в гене, РНК-полимераза должна сделать копию в виде информационной РНК. Процесс копирования, называемый транскрипцией, является одним из основных видов деятельности, необходимых для жизни.
В начале этого строго контролируемого процесса РНК-полимераза и белки общих факторов транскрипции собираются в определенном месте вдоль ДНК, чтобы сформировать PIC. Сборка PIC требуется для открытия двухцепочечной спирали ДНК промотора, размещения ДНК в активном сайте РНК-полимеразы и запуска процесса транскрипции. Транскрипты информационной РНК затем используются для производства белков, строительных блоков человеческого тела.
«В этой статье представлена подробная структурная информация о комплексах, которые участвуют в ранних стадиях процесса транскрипции», — сказал Ивайло Иванов, доцент кафедры химии в штате Джорджия. «Мы исследуем шаги, которые предпринимают РНК-полимераза и общие факторы транскрипции, чтобы открыть пузырек транскрипции и начать процесс транскрипции. Это очень важная система, которая раньше была недоступна ни кристаллографии, ни каким-либо другим структурным методам. Это самая первая почти атомная крио-ЭМ реконструкция сборки PIC человека ».Химическое сшивание и кристаллография позволили получить представление о частичных комплексах РНК-полимеразы из эукариотических организмов, таких как дрожжи, но эти методы не смогли решить структуру всего комплекса PIC.
События и процессы, приводящие к раскручиванию ДНК PIC и образованию пузыря транскрипции, молекулярной структуры, которая возникает во время транскрипции, когда часть двойной цепи ДНК разматывается, были недостаточно изучены.
Чтобы построить детальные атомные модели комплекса PIC, Иванов и его команда применили методы интегративного молекулярного моделирования. В расчетах использовались современные суперкомпьютерные технологии, доступные в рамках программы Национального научного фонда по экстремальным наукам и инженерным исследованиям и Научно-вычислительного центра Национального исследовательского центра энергетики. Исследователи показали, что разумное сочетание дополнительных методов — гибкой подгонки молекулярной динамики и уточнения координат атомов с помощью программного пакета кристаллографии Phenix — привело к созданию моделей, сравнимых по качеству с кристаллическими структурами в том же диапазоне разрешения.
Исследователи зафиксировали PIC человека в трех различных функциональных состояниях: 1) закрытое состояние, связанное с двойной спиралью ДНК промоторной области, 2) открытое состояние, связанное с пузырем транскрипции и 3) начальный транскрибирующий комплекс, готовый выполнять химия синтеза информационной РНК. Они также смогли визуализировать многочисленные ранее неизвестные компоненты сборки PIC человека. Результаты показали полную субъединичную организацию фактора транскрипции, называемого TFIIH, который играет решающую роль в открытии промоторной области. TFIIH оказался одной из самых сложных для решения частей сборки PIC.
«У нас есть много новых визуализированных структурных элементов, которые раньше никогда не создавались для человеческого комплекса», — сказал Иванов.Сравнение между закрытым, открытым и начальным состояниями транскрипции PIC дает новое понимание механизмов взаимодействия ДНК, плавления промотора и стабилизации транскрипционного пузыря.
«Ничего из этого было бы невозможно без достижений в электронной микроскопии (ЭМ) и без последних достижений в интегративном вычислительном моделировании», — сказал Иванов. «Возможность получать электромагнитные структуры с разрешением, близким к атомному, появилась только недавно благодаря комбинации технологии прямого электронного детектора и новых мощных вычислительных алгоритмов для анализа изображений.«За последние несколько лет Cryo-EM претерпела революцию, сделав возможным впервые достичь разрешения, сравнимого с кристаллографией. Это открывает огромные возможности для области структурной биологии для изучения больших макромолекулярных комплексов в деталях атома без необходимости производить кристаллы протеина ".