|
Сворачивание РНК может сыграть роль в возникновении жизни
|
|
|
|
Чтобы изучить потенциальные ранние шаги, предпринятые первой жизнью, возникшей на Земле, исследователи изучали модель протоклеток до жизни, содержащих безмембранные отсеки. Теперь группа ученых из штата Пенсильвания обнаружила, что молекулы РНК внутри этих отсеков складываются лучше, если они имеют естественные химические модификации. Эти модификации, которые позволяют лучше сворачивать РНК, могут дать подсказку о том, как молекулы превратились из произвольных химических соединений в динамичные, организованные строительные блоки жизни. В новом исследовании, опубликованном 20 сентября группой ученых штата Пенсильвания в журнале Science Advances, использовалось высокопроизводительное генетическое секвенирование для определения структуры РНК, что также имеет значение для разработки методов доставки терапевтических средств на основе РНК. функционирование которых зависит от правильно свернутых РНК.
|
|
|
|
«РНК похожа на ДНК в том, что она может кодировать генетическую информацию в своей последовательности, но она также выполняет множество клеточных функций, действуя, например, на регулирование экспрессии генов и в качестве фермента, катализирующего клеточные реакции», — сказал Фил Бевилаква, сотрудник отдела руководитель кафедры химии и заслуженный профессор химии, биохимии и молекулярной биологии в Научном колледже Эберли в Пенсильванском университете и один из руководителей исследовательской группы. «Это привело к гипотезе мира РНК, которая предполагает, что самая ранняя жизнь на Земле, возможно, опиралась на РНК как в качестве носителя генетической информации, так и в качестве катализатора реакций. Мы никогда не сможем точно знать первые шаги, которые привели к жизни. , но мы надеемся, что наши исследования помогут нам сузить круг того, что было возможно на ранней Земле, и понять ограничения в процессах, которые привели к зарождению жизни».
|
|
|
Так называемый «первичный суп» океанов, покрывавший раннюю Землю, вероятно, содержал гетерогенную смесь химических соединений, в том числе тех, которые составляют РНК, которые стали строительными блоками жизни. Однако суп оказался бы неудовлетворительно жидким бульоном. Строительные блоки жизни, должно быть, были невероятно разбавлены, сказал Бевилаква, поэтому способ их концентрации в ограниченных отсеках или протоклетках, вероятно, был важен для взаимодействия соединений друг с другом в химических реакциях, которые в конечном итоге привели к жизни. И условия в этих отсеках должны быть совместимы со сворачиванием и функционированием РНК. «Мы можем создавать безмембранные отсеки посредством фазового разделения жидкость-жидкость, которое имитирует один из способов формирования протоклеток на ранней Земле», — сказала Кристин Китинг, профессор химии Шапиро в Пенсильванском университете и руководитель исследовательской группы.
|
|
|
|
«Эти отсеки естественным образом образуются в смеси противоположно заряженных простых полимеров — в данном случае мы используем короткие цепочки аминокислот, называемые пептидами, — и ранее мы показали, что РНК концентрируется внутри отсеков. Поэтому мы хотели знать, как происходит секвестрация в этих отсеках. компартменты в различных условиях влияли на трехмерные структуры РНК, которые имеют решающее значение для ее функции». Исследователи создали отсеки, называемые сложными коацерватами, используя различные условия. Они использовали два пептида разной длины, смеси, в которых варьировалось соотношение положительно и отрицательно заряженных пептидов, а также разные концентрации ионов магния. Во всех случаях отсеки имели схожие физические свойства и были способны изолировать молекулы РНК. Затем исследовательская группа использовала молекулы транспортной РНК (тРНК), чтобы изучить сворачивание РНК в отсеках. Они выбрали тРНК, потому что они имеют хорошо изученную вторичную и третичную структуру, известны тем, что они сильно химически модифицированы в клетках и являются общими для всей жизни, что позволяет предположить, что они, вероятно, присутствовали у древнего общего предка жизни.
|
|
|
|
Молекулы тРНК складываются в вторичную структуру, подобную клеверному листу, а затем складываются в сложную трехмерную третичную структуру. В клетках они участвуют в транспортировке аминокислот, которые используются для построения белков. «Сначала мы использовали один тип немодифицированной молекулы тРНК и определили ее структуру с помощью метода, называемого поточным зондированием в отсеках, которые были созданы с различными комбинациями трех переменных», — сказал МакКоли Мейер, недавно получивший докторскую степень по биохимии, микробиолог и молекулярная биология в Пенсильванском университете и является первым автором статьи. «Молекулы тРНК складываются лучше при более высоких концентрациях ионов магния, более коротких пептидах и более высоком соотношении отрицательно заряженных пептидов».
|
|
|
|
По словам Мейера, в современных клетках химические модификации молекул РНК помогают обеспечить их правильную укладку и стабильность, что имеет решающее значение для их функции. Чтобы проверить, как химические модификации молекул тРНК влияют на их сворачивание в безмембранных отсеках, команда извлекла естественно модифицированные молекулы тРНК из бактериальных клеток и сравнила их сворачивание с немодифицированными тРНК в этих отсеках. «Мы протестировали три набора условий из предыдущего эксперимента, и во всех случаях модифицированные тРНК складывались лучше, с меньшим количеством неправильных укладок, чем их немодифицированные аналоги», — сказал Мейер. «Здесь мы использовали высокопроизводительный метод генетического секвенирования, разработанный в нашей лаборатории, называемый структурным секвенированием тРНК, который позволил нам определить структуру нескольких различных молекул тРНК из компартментов одновременно».
|
|
|
|
Хотя исследователи знали, что естественные модификации важны для структуры и стабильности РНК в современных клетках, Мейер сказал, что новое исследование предполагает, что они также могли быть важны для раннего развития жизни на Земле. «Используя тРНК из современных клеток, которые имеют современные химические модификации, мы продемонстрировали принцип, согласно которому модификации могут способствовать сворачиванию РНК в сложных условиях внутри протоклеток», — сказал Бевилаква. «Будущим исследованиям предстоит установить, как такие модификации могли произойти на ранней Земле». Исследователи также отмечают, что потеря модификации РНК также связана с болезнями человека и что химические модификации важны для функционирования РНК-терапевтических препаратов, таких как вакцины. «Методы и инструменты, которые мы разработали в этом исследовании, могут помочь нам понять, как модификации РНК влияют на здоровье человека, и помочь в разработке новых лекарств на основе РНК», — сказал Мейер.
|
|
|
|
Источник
|
