Российские ученые детально описали и классифицировали важнейшие элементы структуры рибонуклеиновых кислот. Это позволит точнее их выявлять в автоматическом режиме и даже предсказывать. Исследование опубликовано в журнале RNA.
Несмотря на химическое сходство с хорошо изученной молекулой ДНК, биология РНК (рибонуклеиновой кислоты) находится в зачаточном состоянии. Повышенный интерес к ней наука проявляет лишь несколько десятков лет — во многом благодаря теории о том, что именно РНК была первой структурой, способной к самовоспроизводству, и современной жизни предшествовал «древний мир РНК». Сегодня биологи исследуют эту макромолекулу как для познания фундаментальных основ возникновения всего живого, так и для решения узких прагматических задач в области биохимии и синтетической биологии. Особое внимание уделяют так называемой некодирующей РНК (нкРНК) — молекулам рибонуклеиновых кислот, по последовательности которых не синтезируются белки. Доказано, что нарушения экспрессии нкРНК сопровождают многие заболевания, в том числе онкологические и наследственные.
Группа ученых из МФТИ, МГУ, ИМПБ РАН — филиала ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и ряда других научных институтов занималась как раз «темной материей» нкРНК – псевдоузлами и третичными мотивами. Псевдоузлы представляют собой элементы вторичной структуры молекулы РНК. Они чрезвычайно важны, в частности для активности РНК-компонента «фермента молодости» — теломеразы, для функционирования фермента-катализатора — РНКазы P и даже для проникновения некоторых вирусов в клетку-хозяина, но сложны для изучения. Без них предсказывать и анализировать структуры можно быстро и удобно, а с ними все алгоритмы становятся неполиноминальными, то есть время их выполнения растет экспоненциально от длины цепи РНК.
«Из-за того что они неудобны именно вычислительно, на них перестали смотреть системно. То есть по отдельности конкретные функциональные псевдоузлы исследуют, конечно, но мы практически первые, кто систематически подошел к вопросу, какие псевдоузлы вообще бывают, какие в них есть структурные закономерности. У нас получилось выделить в псевдоузлах повторяющиеся типы петель, аналогичные петлям структур без псевдоузлов, что позволило единым образом описывать любые типы вторичных структур РНК, и это описание мы использовали для разработки универсальной классификации третичных мотивов, которые встречаются в известных пространственных структурах РНК», — поясняет одна из авторов работы, старший научный сотрудник ИТЭБ РАН Лилия Фахранурова.
Третичные мотивы — более слабые повторяющиеся фрагменты третичной структуры РНК — выполняют тоже множество важных функций, таких как регуляция транскрипции и трансляции, посттрансляционная модификация и клеточная локализация белков. От их работы, возможно, зависит продолжительность жизни. Например, с 2000 года известно, что некоторые антибиотики — ингибиторы белкового синтеза — фиксируют в рибосоме один из третичных мотивов — А-минор, что приводит к неспособности рибосомы различать определенные нуклеотидные фрагменты, а в конечном итоге к накоплению нефункциональных белков, что выражается в ускоренном старении организма.
Ученые составили полное описание самого часто встречающегося третичного мотива, А-минора, во всех известных пространственных структурах некодирующих РНК и определили, в каких участках спиралей и петель «сидят» нуклеотиды этого мотива. Кроме того, ученым удалось найти новый повторяющийся ко-мотив А-минора ( его назвали across-bulged мотив), который ранее не был описан. Всего в молекуле было обнаружено 34 таких мотива. За что этот элемент отвечает на молекулярном уровне, каково может быть его значение для организма в целом, только предстоит узнать.
Главный смысл всех этих описаний — глубокое понимание самых «тонких настроек» РНК, благодаря которым можно лучше узнать потенциал одной из «молекул жизни».
«Если ранее разрозненно изучались отдельные классы А-миноров, то мы ввели классификацию, в которую все известные классы хорошо уложились. Грубо говоря, люди знали про ноги, хобот и бивни независимо, а мы пришли и сказали, что это все на самом деле части одного слона, у которого к тому же еще и хвост, между прочим, имеется. Например, все знали, что мотив Kink-turn содержит в себе хотя бы один А-минор. А мы показали, что есть класс А-миноров с аденином из внутренней петли, который взаимодействует с близлежащим участком спирали. Такой класс дальше делится на мотивы kink-turn и across-bulged мотивы, и т. д., — комментирует Лилия Фахранурова. — В результате мы выявили соответствие между отдельными классами А-миноров и известными "ко-мотивами" А-миноров (более сложными фрагментами структуры, которые обязательно в себе содержат хотя бы один А-минор). Таким образом, теперь можно автоматически выявлять ко-мотив А-минора, зная его структурное окружение на уровне вторичной структуры, а А-миноры, находящиеся внутри псевдоузла, можно даже предсказывать, зная последовательность нуклеотидов и вторичную структуру».
По мнению авторов работы, эту классификацию, успешно опробованную на примере А-миноров, можно применять практически к любому заданному набору нуклеотидов. В дальнейшем ученые планируют заняться именно этим: объединением в систему на базе изученного принципа других распространенных третичных мотивов и взаимодействий, а также детальным исследованием более редких неканонических типов А-миноров.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
