Новые поразительные видеоролики показывают, как РНК - генетическая молекула, которая сообщает клеткам, как строить белки - запутывается в безумные узлы по мере своего формирования, только чтобы распутаться в последнюю секунду, и это застало ученых врасплох.

Видео с высоким разрешением изображают прыгающую конголинию нуклеотидов, строительных блоков РНК; по мере того, как одна цепь РНК становится длиннее, эти нуклеотиды танцуют и скручиваются в различные трехмерные формы, извиваясь сначала в одну конформацию, а затем в другую. После полной сборки РНК принимает свою окончательную форму, которая определяет, как она может взаимодействовать с другими молекулами и белками в клетке.

Но по пути РНК может попасть в «узлы», которые необходимо развязать, чтобы появилась эта окончательная форма.

«Значит, РНК должна выбраться из этого», - сказал автор исследования Джулиус Лакс, доцент кафедры химической и биологической инженерии и член Центра синтетической биологии Северо-Западного университета. По его словам, РНК не будет функционировать правильно, если останется в ловушке неправильного узла, то есть узла, который будет мешать ее окончательной форме. «Что было удивительно, так это то, как он выбрался из этой ловушки… Это было обнаружено только тогда, когда у нас были видео с высоким разрешением».

В новом исследовании, опубликованном 15 января в журнале Молекулярная клетка, Лакс и его коллеги создали свои видеоролики о РНК, используя экспериментальные данные и компьютерный алгоритм. Цель состояла в том, чтобы подробнее рассмотреть, как формируется РНК, как для лучшего понимания базовой биологии клетки, так и для того, чтобы проложить путь к лучшему лечению заболеваний, связанных с РНК.

В экспериментах команда использовала особый вид РНК, называемый РНК частиц распознавания сигнала (SNP), эволюционно древнюю молекулу, обнаруженную во всех царствах жизни. Они использовали эту РНК в качестве модели, поскольку она выполняет фундаментальную функцию во многих типах клеток.

Чтобы увидеть, как клетки строят эту РНК, команда использовала химические вещества, чтобы приостановить процесс строительства. Когда к РНК добавлялись новые нуклеотиды, исследователи нажимали на паузу, а затем записывали, как эти нуклеотиды взаимодействовали с другими, уже входившими в состав, и какие формы все они образовывали вместе. Собрав данные от множества отдельных молекул РНК, команда разработала моментальные снимки того, как РНК обычно строит себя во времени.

Эти снимки служили отдельными кадрами в том, что впоследствии стало их финальными видеозаписями образования РНК. Вот тут и появилась компьютерная модель. Алгоритм, по сути, объединил отдельные кадры в мини-фильмы и заполнил промежутки между кадрами с наиболее вероятными взаимодействиями нуклеотидов. В этих видеороликах команда заметила, как РНК запуталась в сложные узлы, которые, если их оставить связанными, сделают всю молекулу бесполезной.

«Он складывается в это состояние ловушки и как бы остается там», - сказал Лакс. Предполагается, что SNP-РНК имеет характерную форму, напоминающую шпильку, и эти ловушки, кажется, мешают. Но по мере того, как к последовательности добавляется больше нуклеотидов, новые нуклеотиды набрасываются, чтобы распутать узел, вытесняя запутанные внутри нуклеотиды.

«Этот последний маленький нуклеотид похож на спусковой механизм», который позволяет всей РНК принять правильную конформацию, - сказал Лакс. Подумайте о последней складке в проекте оригами, которая внезапно превращает мятый лист бумаги в милую бабочку. По словам Люкса, на видео нуклеотиды, выделенные темно-фиолетовым цветом, собираются в узел, а темно-розовые нуклеотиды помогают освободить их.

Изучение того, как РНК переплетается и распутывается, является ключом к пониманию того, как функционируют клетки и как образуются белки; исследование также может помочь в лечении заболеваний, при которых РНК не функционирует должным образом или не может образовываться конкретный белок, например спинальная мышечная атрофияи инфекционные заболевания, такие как COVID-19, которые вызываются РНК-вирусами.

Большой вопрос заключается в том, может ли РНК в основном распутываться из этих узлов или иногда ей нужны вспомогательные белки, чтобы облегчить этот процесс. Возможно, некоторые белки действуют как так называемые «шапероны РНК» и помогают придать молекуле ее окончательную форму, сказал Лакс. Он добавил, что это может быть комбинация того и другого, хотя на данный момент это спекулятивно.

РНК связывает себя узлами, а затем развязывается в завораживающем видео