Используя криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ), ученый из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) Ева Ногалес и ее команда сделали значительный прорыв в нашем понимании того, как наш молекулярный механизм находит нужную ДНК для копирования, демонстрируя с беспрецедентными подробностями роль мощного фактора транскрипции, известного как TFIID.Это открытие важно, поскольку оно открывает ученым путь к пониманию и лечению множества злокачественных новообразований. «Понимание этого регуляторного процесса в клетке — единственный способ манипулировать им или исправлять его, когда он выходит из строя», — сказал Ногалес. "Экспрессия генов лежит в основе многих важных биологических процессов, от эмбрионального развития до рака. Когда-нибудь мы сможем манипулировать этими фундаментальными механизмами, чтобы исправить экспрессию генов, которые должны или не должны присутствовать, или позаботиться о злокачественных состояний, при которых процесс вышел из-под контроля ».Их исследование было опубликовано в журнале Nature в статье под названием «Структура связанного с промотором TFIID и понимание сборки PIC человека».
Ведущий автор — Роберт Лоудер, аспирант по биофизике в лаборатории Ногалеса, а другие авторы — Юань Хэ, Хосе Рамон Лопес-Бланко, Джи Фанг и Пабло Чакон.Ногалес, биофизик, который также имеет приемы в Медицинском институте Говарда Хьюза и Калифорнийском университете в Беркли, изучает экспрессию генов в течение 18 лет. Хотя она и ее команда сделали несколько важных открытий за последние годы, она называет это самым большим прорывом на сегодняшний день. «Это то, что войдет в учебники по биохимии», — сказала она. «Теперь у нас есть структура всей белковой организации, которая формируется в начале каждого гена. Это то, к чему никто и близко не подошел, потому что это действительно очень сложно изучать традиционными методами».
То, как генетическая информация передается в живых организмах, называют «центральной догмой молекулярной биологии». Клетки постоянно включают и выключают гены в ответ на то, что происходит в их среде, и для этого клетка использует свою ДНК, большую библиотеку генетических чертежей, находит правильный участок и делает копию в виде информационной РНК. ; мРНК затем используется для производства необходимого белка.Проблема с этой «библиотекой» в том, что в ней нет номеров страниц или оглавления.
Однако маркеры присутствуют в виде специфических последовательностей ДНК (называемых основными мотивами промотора), чтобы указать, где ген начинается и заканчивается. Итак, как полимераза, фермент, осуществляющий транскрипцию, знает, с чего начать? «ДНК — это огромная, огромная молекула. Из этого супа вы должны найти, где начинается этот ген, чтобы полимераза знала, где начать копирование», — сказал Ногалес. «Этот фактор транскрипции, TFIID, представляет собой белковый комплекс, который делает именно это, распознавая и связываясь с ядерными промоторными областями ДНК».Что Ногалес и ее команда смогли сделать, так это визуализировать с беспрецедентной детализацией TFIID, связанный с ДНК, поскольку он распознает начальную или промоторную область гена.
Они также обнаружили, что он служит своего рода посадочной площадкой для всех молекулярных механизмов, которые должны собираться в этом положении — это называется комплексом пре-инициации транскрипции (PIC). Этот PIC в конечном итоге позиционирует полимеразу, чтобы она могла начать расшифровку.«TFIID должен заниматься не только связыванием ДНК, набором и использованием в качестве посадочной площадки, он должен каким-то образом делать все это по-разному для разных генов в любой момент жизни организма», — сказал Ногалес.
Добавлено громче: «Мы создали первую в истории структурную модель полной PIC человека на основе TFIID. Наша модель дает новое понимание сборки PIC человека, включая роль TFIID в рекрутировании других компонентов PIC в промоторную ДНК и то, как давно наблюдаемая конформационная гибкость TFIID играет роль в регуляции инициации транскрипции ».Белки традиционно изучались с помощью рентгеновской кристаллографии, но этот метод был невозможен для такого рода исследований. «TFIID не был доступен для кристаллографии белков, потому что для его кристаллизации недостаточно материала, он имеет очень гибкие элементы и имеет огромные размеры», — сказал Ногалес. «Все те вещи, которые мы можем преодолеть с помощью крио-ЭМ».Крио-ЭМ, при котором образцы визуализируются при криогенных температурах без использования красителей или фиксаторов, используется с 1980-х годов в структурной биологии.
С помощью обширного вычислительного анализа изображений исследователи могут получать трехмерные структуры. Однако крио-ЭМ претерпела революцию за последние несколько лет с появлением новых детекторов — фактически разработанных в лаборатории Беркли — которые улучшают разрешение и сокращают объем необходимых данных почти в сто раз.
«Многие биологические системы, которые мы считали невозможными для изучения с высоким разрешением, стали доступными», — сказала она. «Теперь разрешение позволяет нам получать атомные детали. Это область, в которой Berkeley Lab была одним из лидеров».Хотя это исследование выявило важные новые идеи в отношении экспрессии генов, Ногалес отмечает, что еще предстоит проделать большую работу.
Затем она планирует изучить, как TFIID может распознавать разные последовательности для разных типов генов, а также как это регулируется кофакторами и активаторами.«Мы только в начале пути», — сказала она. «Этот комплекс, TFIID, очень, очень важен.
Теперь мы сломали барьеры в том смысле, что можем начать создавать атомные модели и подробно разбираться в том, как связывается ДНК».