Сплайсосома монтирует фильм «Матричная РНК»

Процесс сплайсинга РНК в режиме реального времени
Nanonewsnet по материалам ScienceDaily: Spying on a Cellular Director in the Cutting Room

Создавая блокбастер, режиссер фильма вырезает из него лишние кадры, а клеточная машина, называемая сплайсосомой, вырезает нежелательные участки генетического материала и соединяет оставшиеся участки, создавая шаблон для синтеза белка. Но если сплайсосома делает это небрежно, может развиться болезнь.

(Сплайсосома – структура, состоящая из молекул РНК и белков и осуществляющая удаление некодирующих последовательностей (интронов) из молекулы-предшественника матричной РНК. Этот процесс называется сплайсингом, от англ. splicing – сращивание. Сплайсосому составляют пять малых ядерных рибонуклеопротеинов – U1, U2, U4, U5 и U6 – и несколько дополнительных белковых факторов. Обычно сборка сплайсосомы происходит заново для каждой пре-мРНК – ВМ).

Используя новый для изучения сплайсосом подход, группа ученых под руководством профессора химии и биофизики из Университета Мичигана (University of Michigan) Нилза Волтера (Nils Walter) в тесном сотрудничестве с группой, руководимой признанными всем мировым научным сообществом экспертами в области сплайсинга Джоном Абельсоном (John Abelson) и Кристином Гатри (Christine Guthrie) из Университета Калифорнии – Сан-Франциско (University of California, San Francisco), исследуют процесс сплайсинга в отдельной молекуле.

Статья John Abelson et al. Conformational dynamics of single pre-mRNA molecules during in vitro splicing будет опубликована в мартовском номере журнала Nature Structural and Molecular Biology.

С тех пор как за изучение процесса сплайсинга в 1977 году была присуждена Нобелевская премия, сплайсинг генов изучался на целом ряде организмов, включая дрожжи и клетки человека, с использованием как генетических, так и биохимических подходов. Хотя с помощью этих методов можно получить моментальные снимки, они не давали возможности наблюдать за процессом в реальном времени. Новое исследование, использующее технологию, называемую резонансным переносом энергии флуоресценции (fluorescence resonance energy transfer – FRET), и сложный микроскоп, дающие возможность увидеть движение в отдельной молекуле, позволило ученым наблюдать изменения, происходящие в процессе сборки и функционирования сплайсосом, в режиме реального времени.

По аналогии с кинорежиссером сплайсосома не только выполняет функцию ножниц. Она также является «мозгом», который решает, какие кадры нужно вырезать, говорит Волтер. Материал, с которым работает такой «режиссер» – это генетический материал, заключенный в молекулах РНК. РНК содержит закодированные инструкции для производства белков, которые нужны нашему организму для строительства и восстановления тканей, регуляции процессов метаболизма, а также большое количество участков, называемых интронами. Задача сплайсосомы состоит в том, чтобы распознать и вырезать интроны. Когда интроны удалены, сплайсосомы могут склеивать экзоны в различных сочетаниях. Благодаря такому перемешиванию и склеиванию экзонов относительно небольшое число генов (чуть больше 20000 в человеческом организме) создает огромное многообразие белков.

(Пример альтернативного сплайсинга у человека.
Ген структурного белка тропомиозина даёт начало разным вариантам этого белка,
которые синтезируются в разных тканях организма – ВМ.)

Волтер и его коллеги проследили за процессом сплайсинга с помощью флуоресцентных меток, прикрепленных к экзонам по обе стороны от интрона, на коротких участках РНК, специально созданных для таких исследований. При освещении флуоресцентных меток лазерным светом, FRET может обнаружить, насколько близко или насколько далеко друг от друга располагаются экзоны. Повторяющиеся во времени наблюдения составляют в конечном итоге «кинофильм» молекулярного масштаба, из которого видно, как части молекулы РНК изменяются до и во время сплайсинга.

Сначала исследователи изучали РНК в отсутствии сплайсосом. Здравый смысл подсказывал, что сплайсосома сама направляет весь процесс сплайсинга, а молекула РНК мало влияет на этот процесс. Но они увидели изменения в самой молекуле РНК: за счет сжатия и растяжения интронов экзоны становились ближе друг к другу. Это предполагает более активную роль интронов.

Когда ученые добавили экстракт, содержащий компоненты сплайсосом и АТФ – источник энергии для их сборки – расстояние между экзонами сначала увеличилось, а затем стало даже меньше, чем до начала процесса. После таких изменений происходил собственно сплайсинг. Интересно, что последовательность событий, произошедших с молекулой РНК во время этого процесса, оказалась обратимой.

Представьте, что у режиссера возникают сомнения, какие сцены из фильма нужно вырезать, и он многократно склеивает различные куски пленки, перед тем как прийти к окончательному решению. Все это мы и наблюдаем, только на молекулярном уровне, – говорит Волтер. – Насколько нам известно, наши данные – это первое прямое наблюдение обратимых конформационных изменений в процессе сплайсинга.

Далее исследователи планируют прикрепить флуоресцентные метки к различным частям системы, чтобы в процессе сплайсинга увидеть их пространственные и временные взаимосвязи. Конечной целью является построение комплексной модели, показывающей, каким образом РНК и сплайсосомы так точно взаимодействуют друг с другом, что избегают возникновения заболевания.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
30.03.2010