Ученые раскрывают новое понимание механизма регуляции генов «волшебным пятном»

        

Используя инновационную технологию кристаллизации для изучения трехмерных структур механизма транскрипции генов, международная команда исследователей, возглавляемая учеными в штате Пенсильван, раскрыла новое понимание долгого дебатированного действия «волшебного пятна» – молекула, которая контролирует экспрессию генов в Eschericahia coli и многих других бактериях, когда бактерии подвергаются стрессу. Исследование способствует нашему фундаментальному пониманию того, как бактерии адаптируются и выживают в неблагоприятных условиях, и дает информацию о ключевых процессах, которые могут быть нацелены на поиск новых антибиотиков. 22 февраля 2018 года в журнале Molecular Cell был опубликован документ, описывающий исследование.

«Когда бактерии испытывают стресс, например голодание, они реконструируют экспрессию генов», – говорит Кацухико Мураками, профессор биохимии и молекулярной биологии в штате Пенн и автор статьи. «В 1969 году наш соавтор Майкл Кашель обнаружил, что новая молекула появилась в E. Coli когда бактерии были голодны из основных питательных веществ. Кашел назвал эту молекулу, которая появилась как новое пятно на хроматограмме , «волшебное пятно», из-за его появления, казалось бы, нигде, когда были голодные бактерии ».

. Магическим пятном впоследствии было показано, что это гуанозинтетрафосфат или ppGpp, химически модифицированный аналог G-нуклеотида в алфавите ATCG генома. Его появление после голодания и других стрессов связано с изменениями экспрессии более 500 генов, наиболее заметно генов структурных РНК, которые являются компонентами рибосомы – фермента, ответственного за синтез белка

Молекула ppGpp взаимодействует с E. coli РНК-полимераза – клеточная машина, которая продуцирует РНК из геномной ДНК, но именно то, как это взаимодействие контролирует экспрессию генов, остается загадкой. Однако новые рентгеновские кристаллические структуры дают ключ к этому процессу, демонстрируя впервые трехмерные изображения E. coli РНК-полимераза в комплексе с ppGpp и еще один важный фактор, который работает с ppGpp, DksA.

Трехмерная структура РНК-полимеразы хорошо установлена, но наблюдение за структурой РНК-полимеразы при взаимодействии с другими молекулами оказалось технически сложным. Взаимодействующие молекулы часто дезасолируют в процессе кристаллизации, необходимых для их структуры. Исследователи преодолели эту трудность, добавив молекулы DksA и ppGpp к РНК-полимеразе, которая была кристаллизована независимо.

«Сначала мы создали кристаллы РНК-полимеразы, затем пропитанные DksA и ppGpp», – сказал Вадим Молодцов, ассистент научного профессора по биохимии и молекулярной биологии в штате Пенн и еще одного автора статьи. «Когда мы это сделали, мы увидели, что ppGpp связан с комплексом РНК-полимеразы и DksA таким образом, который изменил взаимодействие между РНК-полимеразой и DksA. Мы считаем, что это изменение может быть ключевым для объяснения того, как ppGpp изменяет транскрипцию, чтобы бактерии могли реагировать на стресс ».

РНК-полимераза в бактериях контролирует экспрессию всех генов, но в ответ на присутствие ppGpp уровни экспрессии некоторых генов отвергаются, в то время как многие из них не подвержены влиянию, а некоторые из них проявляются. Эти изменения уровней экспрессии позволяют бактериям изменять их состав, чтобы лучше выдерживать стресс. Исследователи предполагают, что разные ответы могут быть вызваны различиями в отдельных промоторах – последовательностями ДНК вблизи начала генов, которые инициируют экспрессию – отдельных генов.

«Мы полны бактерий», сказала Сара Адес, адъюнкт-профессор биохимии и молекулярной биологии в штате Пенсильвания и автор статьи. «Они влияют на наше настроение, они влияют на наш вес, они влияют на нашу иммунную систему. Система ppGpp важна во многих этих бактериях, позволяя им ощущать окружающую среду и приспосабливаться к стрессу. Понимание того, как функции ppGpp позволят нам лучше понять эти бактерии и то, как они влияют на нас. Система также важна для бактериальных патогенов, которые вызывают инфекционное заболевание. Понимание того, как работает ppGpp, может помочь нам найти способы нарушить его функции и разработать новые антибиотики ».

Источник:

http://science.psu.edu/news-and-events/2018-news/Murakami2-2018

      

Source link