Открыт новый механизм регуляции работы генов бактерий

Американские биологи расшифровали механизм, при помощи которого кишечная палочка E. coli приостанавливает работу своих генов при недостатке ресурсов и снова включает их, когда условия улучшаются. Ключевую роль в этом механизме играет особая молекула РНК (6S-РНК), один из фрагментов которой по своей структуре похож на промотор — участок гена, к которому должен прикрепляться фермент РНК-полимераза, осуществляющий транскрипцию («прочтение») генетической информации.
6S-РНК прикрепляется к активному центру фермента и не дает ему присоединиться к «настоящему» промотору. Чтобы освободиться, РНК-полимераза должна начать синтезировать копию 6S-РНК, а это возможно только при избытке ресурсов. Данная регуляторная система, основанная на конкуренции между ДНК и РНК за контроль над ферментом РНК-полимеразой, возможно, является одним из отголосков эпохи РНК-мира.

Нейлоновая модель фермента РНК-полимеразы, застигнутой в тот момент, когда она уже присоединилась к промотору, расплела двойную спираль ДНК и собирается приступить к прочтению генетической информации. Фото с сайта www.pingrysmartteam.com

Нейлоновая модель фермента РНК-полимеразы, застигнутой в тот момент, когда она уже присоединилась к промотору, расплела двойную спираль ДНК и собирается приступить к прочтению генетической информации. Фото с сайта www.pingrysmartteam.com

В последние годы одним из самых быстро развивающихся направлений в молекулярной биологии стало исследование разнообразных маленьких молекул РНК, которые, как выяснилось, играют в жизни клетки огромную роль. В результате этих исследований представления о молекулярных основах жизни сильно изменились. Еще лет 10 назад считалось, что в основе жизнедеятельности клетки лежат белки и ДНК, а РНК играет второстепенную роль посредника в процессе реализации записанной в ДНК наследственной информации.

Сегодня стало ясно, что молекулы РНК являются активными участниками множества жизненно важных процессов. Постоянно открываются новые функциональные молекулы РНК и новые «роли», выполняемые этими молекулами в клетке. Эти открытия в целом очень хорошо согласуются с теорией РНК-мира. Действительно, если древнейшие живые организмы умели обходиться вообще без белков и ДНК и все функции в них выполнялись молекулами РНК, то можно ожидать, что и в современных организмах эти многофункциональные молекулы не остались без работы.

В последнем номере журнала Science опубликована статья американских биологов, в которой описан новый крайне любопытный механизм регуляции работы генов при помощи РНК, встречающийся у бактерий. В этом механизме, на наш взгляд, довольно ясно угадывается «след РНК-мира». Главный участник новооткрытой регуляторной системы — особая молекула РНК (6S-РНК). Эта молекула присоединяется к ферменту РНК-полимеразе, отвечающему за считывание генетической информации, и не дает ферменту нормально работать. В результате клетка перестает «считывать» собственные гены и синтезировать белки. Это происходит при недостатке ресурсов, когда бактерии выгодно приостановить жизнедеятельность и подождать «лучших времен».

Известно довольно много регуляторных РНК, способных связываться с белками и влиять на их функции, так что сама по себе такая регуляция не новость. По-настоящему интересным и новым является то, каким образом 6S-РНК соединяется с РНК-полимеразой, и в особенности то, как она от нее потом открепляется.

Прежде всего исследователи реконструировали пространственную структуру молекулы 6S-РНК. Зная последовательность нуклеотидов в молекуле РНК, можно довольно точно предсказать ее трехмерную конфигурацию: какие участки «слипнутся» в двойную спираль, какие останутся одноцепочечными, где образуются петли и т. д.

А — структура 6S-РНК кишечной палочки. B — промотор (участок ДНК, к которому прикрепляется РНК-полимераза). Рис. из цитируемой статьи в Science

А — структура 6S-РНК кишечной палочки. B — промотор (участок ДНК, к которому прикрепляется РНК-полимераза). Рис. из цитируемой статьи в Science

Оказалось, что большая часть молекулы образует двойную спираль (см. рис., А). Посередине молекулы имеется «расплетенный» участок, похожий по своей структуре на промотор (B) — участок ДНК, к которому должна прикрепляться РНК-полимераза и с которого начинается транскрипция.

Ученым удалось экспериментально показать, что РНК-полимераза действительно принимает этот псевдопромотор, расположенный на 6S-РНК, за «настоящий», и прикрепляется к нему своим активным центром. В результате активный центр фермента оказывается «забит», и фермент выводится из строя — правда, не навсегда. Чтобы освободиться от «застрявшей» в его активном центре молекулы 6S-РНК, фермент РНК-полимераза, как выяснилось, должен совершить удивительное действие. Он должен начать синтезировать на матрице 6S-РНК ее копию, то есть вести себя как РНК-зависимая РНК-полимераза — древнейший из ферментов, отвечавший за размножение организмов в РНК-мире.

Это происходит, когда в окружающей среде становится достаточно ресурсов и в клетке возрастает концентрация активированных нуклеотидов (нуклеотид-трифосфатов) — тех кирпичиков, из которых собираются молекулы РНК и ДНК. РНК-полимераза начинает осуществлять «транскрипцию» молекулы 6S-РНК с того самого нуклеотида, с которого должна была бы начаться транскрипция, будь на месте 6S-РНК с ее псевдопромотором молекула ДНК с настоящим промотором (на рисунке этот нуклеотид U отмечен Г-образной стрелкой).

Этот странный архаичный процесс продолжается недолго. Когда синтезированный фрагмент РНК достигает длины 20 нуклеотидов (на рисунке копируемый участок РНК обведен рамочкой), этот фрагмент вступает во взаимодействие с собственной матрицей, то есть с молекулой 6S-РНК, и «отрывает» ее от РНК-полимеразы. Освобожденная РНК-полимераза теперь может приступить к своей основной работе — прочтению генов, то есть синтезу РНК на матрице ДНК.

Эту необычную систему регуляции работы генов можно было бы интерпретировать просто как некую «причуду матушки-природы» (сами авторы, надо сказать, вообще воздерживаются от каких-либо эволюционных интерпретаций своего открытия), если бы не опубликованная практически одновременно в журнале PLoS Biology статья, о которой только что рассказали «Элементы».

В этой статье показано, что ферменты транскрипции (ДНК-зависимые РНК-полимеразы) современных организмов происходят от РНК-зависимых РНК-полимераз, возникших, вероятно, еще в эпоху РНК-мира. Получается, что РНК-полимераза кишечной палочки, синтезируя короткую молекулу РНК на РНК-матрице, как бы «вспоминает» свое далекое прошлое. Этот процесс вполне может быть не новообразованием, а наследием эпохи РНК-мира. А вся эта новооткрытая регуляторная система может быть отголоском того периода эволюции жизни, когда организмы, построенные на основе РНК и первых немногочисленных белков, уже начали обзаводиться молекулами ДНК в качестве более надежных хранителей наследственной информации. В этот период между «РНК-генами» и «ДНК-генами» могла существовать конкуренция за фермент РНК-полимеразу. Процессы и связи, развившиеся в результате этой конкуренции, могли впоследствии лечь в основу различных систем регуляции работы генов.

С этой точки зрения выявленное в последние годы чрезвычайно активное участие маленьких молекул РНК в регуляции работы генов выглядит вполне закономерным и ожидаемым.

Источник: Karen M. Wassarman, Ruth M. Saecker. Synthesis-Mediated Release of a Small RNA Inhibitor of RNA Polymerase // Science. 2006. V. 314. P. 1601-1603.

Текст : Александр Марков(www.elementy.ru )

Ещё в разделе

Новые открытия в генетике туберкулеза

Совсем недавно американские ученые из Техасского университета установили точную причину того, что инфицирование бактериями Mycobacterium tuberculosis не всегда приводит к развитию туберкулеза. Раньше считалось, что виновата в этом наследственная предраспо

У заядлых курильщиков появился шанс избавиться от пагубной привычки

Пристрастие к табаку определяет специфический ген. К такому выводу пришли японские учёные. После того, как будет раскрыт механизм действия этого гена, останется дело за малым – разработать эффективный способ избавления от вредной привычки.

Геном цивилизации. Судьба мира может оказаться в руках российских ученых.

Лучшие умы человечества во все времена разрабатывали новые технологии познания и использования природы для повышения качества жизни человека. Однако всегда находились люди, обращающие эти технологии осознанно или неосознанно во вред природе и человеку.

ДНК человека не знает границ

Международная группа ученых провела исследования, свидетельствующие о том, человечество генетически намного разнообразнее, чем предполагалось ранее. Результаты прочтения и расшифровки генома человека позволили установить, что 6 миллиардов человек, населя

Генетические особенности людей отличаются на 10%

Ученые обнаружили, что на генетическом уровне люди отличаются друг от друга гораздо сильнее, чем считалось раньше. К такому выводу пришли британские исследователи, изучив молекулярные данные 270 человек. Генетикам удалось разработать новый специфи

Мужчины и женщины болеют по-разному

Ученые установили, что функция тысячи генов зависит от пола. Это открытие поможет найти ответ на вопрос, почему женщины и мужчины по-разному реагируют на лекарства и болезни. Исследование мозга, печени, жировой и мышечной ткани мышей показало, что экс

Полный геном неандертальца будет прочтен через два года

Сразу две международные команды ученых сообщили в последних номерах журналов Nature и Science о начале работы по прочтению полного генома неандертальца. На сегодняшний день удалось прочесть фрагменты общей длиной около миллиона нуклеотидов, что составляет

В поисках элексира бессмертия - на пороге вечной жизни

Недавеный генетик из Кембриджского университета Обри де Грей заявил, что в самом недалеком будущем люди будут жить более тысячи лет, а в перспективе – могут обрести физическое бессмертие. Чтобы понять, на чем зиждется оптимизм де Грея и оправдан ли он

Ученые раскрыли тайну облысения

Люди, у который было выявлено нарушение роста волос, страдают редким заболеванием - гипотрихозом Ученые раскрыли тайну облысения. Как сообщает деловая газета «Взгляд», генетики из РАН, МГУ и Массачусетского университета нашли ген, изменения которого приво

Сексуальная ориентация детей может зависеть от генов матери

Генетика матерей геев действует иначе, чем у женщин, рождающих детей с традиционной сексуальной ориентацией. Ученые обнаружили, что у четверти матерей, у которых более одного сына являются геями, деятельность X-хромосом отличается от других. Из этого може

Решена одна из величайших загадок биологии

Решена одна из величайших загадок биологии

Международная группа ученых впервые обнаружила механизм, который контролирует репликацию (удвоение) молекулы ДНК.

Ген кролика помог комнатному растению эффективней очищать воздух

Ген кролика помог комнатному растению эффективней очищать воздух

Ученые из Вашингтонского университета установили, что ген кролика, вставленный в геном комнатного растения, значительно увеличивает его способность поглощать из воздуха вредные для здоровья примести: бензол и хлороформ.

Способны ли клеточные органеллы нагреваться?

Способны ли клеточные органеллы нагреваться?

Группа ученых, в которую вошли представители из нескольких стран смогли осуществить сложный эксперимент. Речь идет об измерении температуры митохондрий в живой клетке. Результаты исследования показали, что температура органелл в процессе работы составляет 50 градусов.

Растения, словно люди, способны устанавливать приоритеты

Растения, словно люди, способны устанавливать приоритеты

Результаты нового исследования показали, что растения, в случае нападения вредителей в первую очередь защищают цветки, а не листья, как было принято считать до настоящего момента. Кроме того, также стало известно, что при одновременном нападении гусениц, тли и патогенных бактерий, главным врагом по определению растения становится гусеница и, именно против нее, прежде всего, активируются защитные механизмы.

Первый полусинтетический организм – миф или реальность

Первый полусинтетический организм – миф или реальность

Научным сотрудникам из института Scripps удалось осуществить уникальный эксперимент. Суть исследования состояла в создании новых нуклеиновых оснований с дальнейшим их вживлением в ДНК. В результате проведения эксперимента генетики создали первую в мире полусинтетическую бактерию.

Теперь и аллигаторы смогут летать

Теперь и аллигаторы смогут летать

Благодаря длительным исследованиям ученые смогли определить гены, которые отвечают за формирование чешуи у рептилий и перьев у птиц. Полученная информация дала возможность вырастить эмбрионы аллигатора с измененными внешними покровами. Конечно, достигнуть положительного результата удалось только при посредстве генетических манипуляций.

В теле нематод выявили уникальный ген

В теле нематод выявили уникальный ген

Специалисты из Калифорнийского университета выяснили, что в нематодах Caenorhabditis elegans присутствует ген, несущий ответственность за кодирование вредного для червя токсина. Ген не считается полезным для червя и не исчезает в процессе естественного отбора, так как отвечает еще и за синтез противоядия, которое необходимо для выживания потомства в теле матери.

Найдены новые микроорганизмы с новым механизмом адаптации

Найдены новые микроорганизмы с новым механизмом адаптации

Американские ученые смогли обнаружить ряд ранее неизвестных организмов, которые постоянно мутируют. Склонность к постоянной мутации зависит от генетического механизма, называемого регенерирующим разнообразием ретроэлемента.

Генетики раскрыли механизм эволюции бактерий

Генетики раскрыли механизм эволюции бактерий

Ученые из Института Броуда и Гарвардского университета смогли найти мутации, которые стимулируют появление бактерий с уникальными свойствами. В частности речь идет об устойчивости к антибиотикам разного типа. Более того, такая устойчивость позволяет микроорганизмам провоцировать неизлечимые патологии.

Американцы создали асоциальных муравьев

Американцы создали асоциальных муравьев

Американские ученые из Рокфеллеровского университета смогли создать уникальных муравьев. В частности речь идет о генетически модифицированных насекомых, которые избегают своих сородичей. Благодаря своему творению, исследователи выяснили, что взаимодействие муравьев между собой, а затем дальнейшее формирование колонии происходит при посредстве обонятельных рецепторов, находящихся в усиках.

Оценка:

Пока комментариев нет