Активно растущие клетки должны синтезировать большое количество белка, что, в свою очередь, требует огромного количества заводов по производству белка, так называемых рибосом. Сами рибосомы состоят из белков, установленных на каркасе рибосомной РНК. Последний составляет до 60% РНК в клетках и синтезируется ферментом РНК-полимеразой I (Pol I).
В отсутствие рибосомной РНК синтез белка не может происходить. Таким образом, Pol I является центральным стимулятором роста клеток, а аберрантная гиперактивация биогенеза рибосом является признаком многих типов рака.Несмотря на его ключевую роль в клетке, структура фермента остается плохо изученной. Как очень большая и очень сложная молекулярная машина Pol I до сих пор доказала свою устойчивость к традиционному структурному анализу с высоким разрешением.
Но в техническом плане профессор Патрик Крамер — директор Генного центра LMU — и его команда раскрыли его детальную архитектуру. В статье, опубликованной в последнем выпуске журнала Nature, исследователи описывают полную трехмерную структуру Pol I с разрешением, которое не только позволяет им локализовать все его 14 субъединиц, но и определить положения примерно 35000 его субъединиц. (не водородные) атомы. Полученная модель дает подробные сведения о способе действия фермента.Рентгеновские лучи проясняют кристаллическую структуру«Решающий прорыв стал результатом 10 лет упорной работы, которая научила нас выращивать высококачественные кристаллы фермента, которые можно было подвергнуть структурному анализу с высоким разрешением с помощью дифракции рентгеновских лучей.
Размер и сложность Pol I сделали это очень сложная задача », — объясняет Крамер. Кристаллы состоят из множества копий комплекса Pol I, симметрично расположенных в решетчатой структуре.
Когда такой кристалл подвергается воздействию пучка рентгеновских лучей, часть излучения отклоняется атомами в регулярно расположенных белковых молекулах. Рассеянные лучи могут усиливать друг друга или мешать друг другу, создавая характерную дифракционную картину, которую можно зафиксировать на пленке.
Затем математический анализ структуры и интенсивности дифракционных пятен позволяет восстановить пространственное расположение атомов в белковом комплексе.Результаты анализа выявили некоторые интересные структурные различия между Pol I и родственной РНК-полимеразой II (Pol II), которая отвечает за синтез информационных РНК, которые действуют как непосредственные схемы для синтеза белка. Крамер определил структуру Pol II в 2000 году, когда он был постдоком в Стэнфордском университете в Калифорнии.
Открытое и закрытое делоПомимо прочего, Pol I отличается от Pol II наличием в его активном центре нескольких дополнительных элементов, которые участвуют в регуляции фермента.
Изменяя форму входа в активный сайт (который находится в глубокой щели), они позволяют ему принимать «открытую» или «закрытую» конформацию. Оказывается, в «открытом» состоянии фермент неактивен.
Исследователи предполагают, что это явление позволяет ингибировать активность Pol I, предотвращая тем самым неконтролируемый рост и пролиферацию клеток. Вполне возможно, что этот механизм может служить мишенью для разработки новых лекарств, которые могут замедлить рост опухолей. Таким образом, новая структура может указать путь к новым средствам для лечения рака.
«С этим конформационным переключением между неактивным и активным состояниями мы, кажется, наткнулись на общий механизм, который регулирует экспрессию генетической информации в клетке», — говорит Крамер. Теперь он и его сотрудники обратят свое внимание на проблему того, как полимеразы распознают свои соответствующие гены-мишени, с целью понимания того, как родственные полимеразы стали специализироваться на продукции функционально различных классов РНК.
Их конечная цель — изобразить полную последовательность событий, которая приводит к активации гена только тогда, когда его продукт требуется в соответствующей клетке.