Биофизические методы позволяют изучить динамические движения молекулярных машин, разрушающих РНК

от

Исследователи из Регенбургского центра биохимии (RCB) и Регенбургского центра ультрабыстрой наноскопии (RUN) при Университете Регенсбурга получают уникальные сведения о структуре, динамике и функциях компонентов экзосомы — молекулярной машины, разрушающей РНК в клетке. Результаты не только предоставляют биологическую информацию о деградации РНК, но и являются методологической вехой в структурном исследовании биомолекул.

Работа показывает, что сочетание экспериментальных и компьютерных биофизических методов облегчает изучение динамики в больших молекулярных машинах. Такие исследования были невозможны ранее. Междисциплинарная команда под руководством доктора Йобста Либау, доктора Даниэлы Лаццаретти, профессора доктора Тилля Рудака и профессора доктора Ремко Спрангерса сообщает о своих [находках](https://www.nature.com/articles/s41467-025-62982-6) в Nature Communications.

Белки — универсальные компоненты клеток всех живых организмов и основа жизни

Белки являются универсальными компонентами клеток всех живых организмов и основой жизни. Часто несколько белков образуют более крупные комплексы, которые выполняют различные жизненно важные задачи в качестве молекулярных машин. Например, эти комплексы собирают жизненно важные молекулы и разбирают их снова, когда они больше не нужны. Другие комплексы транспортируют и сортируют молекулы, отправляют и получают сообщения.

Чтобы понять, как эти белковые комплексы выполняют свои функции, необходимо понять, как они выглядят. В последние десятилетия исследователи выяснили трёхмерную (3D) структуру большого количества белков. В Университете Регенсбурга для этого имеется собственный крио-электронный микроскоп высокого разрешения. Этот микроскоп использовался в текущем исследовании для выяснения статической структуры молекулярной машины.

«Эти структуры очень важны, но недостаточны», — говорит профессор доктор Спрангерс, профессор биофизики в Университете Регенсбурга. «Чтобы по-настоящему понять функцию белков, мы должны понять, как они движутся и как их структура изменяется, когда они выполняют свою функцию. Это задача, которая даже сложнее, чем выяснение жёсткой структуры».

Исследование динамики структуры белков

Исследования Спрангерса направлены именно на это. Используя спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР), его исследовательская группа изучает, как белки изменяют свою структуру для выполнения своих функций. Но как визуализировать эти изменения? Данные ЯМР часто бывают очень абстрактными.

Для расчёта динамических структурных моделей, визуализирующих структурные изменения, используются молекулярно-динамические (МД) симуляции. Однако эти модели требуют экспериментальной проверки. «Сочетание ЯМР и МД работает аналогично микроскопу с очень высоким пространственным и [временным разрешением](https://phys.org/tags/temporal+resolution/) и обеспечивает своего рода кинокартинку атомного взаимодействия белков», — объясняет профессор доктор Рудак, профессор структурной биоинформатики в Университете Регенсбурга.

Однако в большинстве случаев метод ЯМР работал только для небольших белков. «ЯМР часто достигает своих пределов с более крупными белковыми комплексами. Мы добились прорыва, который позволяет изучать гигантов микроскопического мира белков, таких как комплекс РНК-экзосомы, который играет решающую роль в деградации РНК», — объясняет доктор Либау, постдок в группе Спрангерса и первый автор исследования.

«Кроме того, мы теперь смогли изучить области комплекса экзосомы, которые ранее были невидимы для всех других методов», — добавляет доктор Лаццаретти, также постдок в группе Спрангерса.

РНК-экзосома и её функции

РНК-экзосома состоит из 10 различных белков и разрушает РНК. Это важная задача в каждой клетке. «Тот факт, что мы можем измерить движения ранее невидимых областей, позволяет нам анализировать кратковременные взаимодействия между РНК и экзосомой», — объясняет доктор Либау.

Некоторые области белка движутся чрезвычайно быстро, выполняя движение несколько миллиардов раз в секунду. Другие, в основном более крупные области, движутся медленнее: всего 30 раз в секунду. Именно эти медленные движения часто оказываются центральными для функции белковых комплексов.

Например, исследователи смогли идентифицировать область в РНК-экзосоме, которая движется примерно с той же скоростью, с какой экзосома разрушает РНК. Исследователи пока не смогли доказать прямую связь, но без движения не было бы деградации РНК.

Исследование, таким образом, предоставляет не просто статическое изображение, а своего рода кинокартинку, которая позволяет понять динамические процессы деградации РНК комплексом экзосомы. «Жизнь — это движение», — объясняет профессор доктор Рудак, «и взаимодействие метода ЯМР и МД-симуляций даёт глубокое понимание динамического мира белков».

«Сочетание различных биофизических методов для выяснения структурной динамики является новаторским для будущих исследований. Мы только начинаем понимать роль, которую динамика играет в функции белков», — добавляет профессор доктор Спрангерс.

С помощью своего исследования учёные заложили основу для превращения ранее статических изображений микрокосма клетки в движущиеся.

Предоставлено
[Университет Регенсбурга](https://phys.org/partners/university-of-regensburg/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте