От кратера вулкана до лаборатории: экстремофилы преподают урок выживания

«Приспособься или погибни — таков неумолимый императив природы», — писал Герберт Уэллс. Этот принцип — выживание требует изменений — был усвоен миллиарды лет назад одноклеточными организмами, живущими в условиях экстремальной жары. За последние несколько десятилетий изучение механизмов адаптации этих организмов привело к созданию революционных технологий — от быстрой репликации ДНК (ПЦР) и производства термостойких белков до генерации топлива и химикатов.

Гипертермофилы: выживание в экстремальных условиях

Наиболее примечательны среди этих организмов гипертермофилы, которые обитают в кратерах вулканов, гидротермальных источниках и горячих источниках — средах, где температура превышает 80 °C. Новый метод, разработанный исследователями из Института науки Вейцмана, показывает, как гипертермофилы модифицируют молекулы РНК в основе своих рибосом — фабрик по производству белков в клетке — чтобы выжить в чрезвычайно жарких условиях.

Выводы профессора Шраги Шварца

Выводы из лаборатории профессора Шраги Шварца, недавно опубликованные в журнале Cell, опровергают предположение о том, что фундаментальные жизненные процессы одинаковы у всех видов и на протяжении всей жизни. Эти открытия могут привести к улучшению РНК-медицинских и промышленных технологий и пролить свет на давнюю загадку в разработке лекарств.

Рибосома — одна из самых ранних и основных биологических структур, общих для всех трёх областей жизни: архей, бактерий и эукариот. В конце 1950-х исследователи обнаружили, что молекулы рибосомальной РНК подвергаются «химическому редактированию» (модификации) после их производства в клетке. Однако из-за сложности измерения таких изменений оставалось неясным, насколько они различаются между видами или в ответ на условия окружающей среды.

Новый метод исследования

Новая система, разработанная в лаборатории Шварца под руководством доктора Мигеля А. Гарсии-Кампоса, позволяет учёным изучать 16 типов модификаций на десятках образцов РНК — значительный шаг вперёд для исследований по редактированию РНК. Используя эту систему, исследователи составили карту моделей модификаций в 10 одноклеточных организмах и сравнили их с четырьмя ранее изученными видами.

Они специально выделили экстремофилов — организмы, которые процветают в различных суровых условиях, — включая трёх гипертермофилов, предположив, что механизмы адаптации рибосом к окружающей среде, скорее всего, возникли у этих организмов.

«Пока большинство бактерий и архей обходятся лишь несколькими десятками модификаций рибосомальной РНК, мы обнаружили сотни у гипертермофильных видов», — отмечает Шварц. «Фактически мы увидели, что чем жарче естественная среда обитания организма, тем больше модификаций претерпевает его рибосома».

Исследователи задались вопросом, может ли вид повторно редактировать свою рибосомальную РНК — изменяя структуру рибосомы — в ответ на изменения окружающей среды в течение жизни. Для проверки этого они выращивали каждый вид в трёх–пяти различных условиях.

Для мезофилов, микроорганизмов, которые процветают при умеренных температурах, большинство модификаций были постоянными и не менялись в зависимости от окружающей среды. Напротив, почти половина модификаций у гипертермофилов была динамичной, возникая в большем количестве участков молекул РНК при повышении температуры. Исследователи пришли к выводу, что изменения в структуре рибосом не только возможны, но и составляют важный адаптивный механизм.

Три типа модификаций

Три типа модификаций были обнаружены как наиболее часто встречающиеся при повышении температуры. «Одним из особенно удивительных открытий было то, что одна из этих модификаций — добавление метильной группы, или метилирование — почти всегда появлялась у гипертермофильных видов вместе с другой модификацией: добавлением ацетильной группы, или ацетилированием», — говорит Шварц.

Это позволило предположить, что эти два процесса работают согласованно. Исследователи объединились с группой профессора Себастьяна Глатта в Ягеллонском университете в Кракове, чтобы проверить стабильность молекул РНК без каких-либо добавок, с одной или другой, и с обеими. Метилирование и ацетилирование оказывали стабилизирующее воздействие на РНК, но в сочетании эффект был больше, чем сумма его частей.

Влияние на структуру рибосомы

Чтобы выяснить, как это химическое редактирование изменяет структуру рибосомы, исследователи объединили усилия с командой профессора Морана Шалев-Бенами из отдела химической и структурной биологии Института Вейцмана, которая использовала криоэлектронную микроскопию для картирования рибосомы гипертермофильного археона. Они составили карту структуры в двух состояниях: когда фермент, ответственный за метилирование при высоких температурах, был активен, и когда он был подавлен.

Метильные группы, добавленные при высоких температурах, были обнаружены распределёнными по рибосоме, образуя слабые связи с окружающими молекулами, которые вместе укрепляли общую структуру. Аналогично, регионы, где происходило редактирование, содержали меньше пробелов, эффективно «затыкая дыры» в рибосоме.

Эти результаты демонстрируют сложный механизм, в котором тонкие химические изменения молекул РНК могут заметно повысить стабильность рибосомы, позволяя ей функционировать в изменяющихся условиях. Они также могут помочь объяснить давнее явление «магического метила» — необъяснимое увеличение эффективности некоторых лекарств более чем в сто раз после добавления метильной группы.

«Теперь кажется вероятным, что по крайней мере некоторые модификации вдоль молекулы РНК, такие как метилирование и ацетилирование, не действуют независимо и должны быть расшифрованы как комбинаторный код», — говорит Шварц. «Наше исследование рибосомальной РНК помогает прояснить взаимодействие между различными модификациями, а метод, который мы разработали, может ускорить и расширить изучение многих типов модификаций и новых видов».

«Сейчас на рынке или в разработке представлено множество РНК-технологий — от вакцин против пандемий и диагностики рака до инструментов для редактирования генов, используемых в биотехнологии и медицине», — добавляет он. «Естественный процесс редактирования РНК прошёл миллиарды лет совершенствования, и раскрытие его секретов может проложить путь к более надёжным и эффективным РНК-технологиям».

Предоставлено:
Институт науки Вейцмана.

Источник