Mechanizmy regulujące produkcję RNA są znacznie bardziej skomplikowane niż wcześniej przypuszczano – odkryli naukowcy z Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN. Wyniki ich wspólnych badań z zespołem prof. Davida Tollerveya z Uniwersytetu z Edynburgu ukazały się dziś na łamach prestiżowego czasopisma „Cell Reports”.
O ile DNA pełni funkcję magazynu informacji genetycznej w każdej komórce, o tyle RNA jest jej aktywną formą, co czyni proces ekspresji genów – czyli przepisywania informacji z DNA na RNA – kluczowym dla funkcjonowania komórek. Proces ten, znany jako transkrypcja (od łac. transcribere), jest realizowany przez specjalne kompleksy białkowe zwane polimerazami RNA. Dotychczas uważano, że polimerazy RNA poruszają się niezależnie po nici DNA, niczym koraliki nanizane na sznurku. Jednak najnowsze badania polsko-brytyjskiego zespołu pokazują, że w przypadku genów rDNA ich działanie jest zsynchronizowane dzięki specyficznemu mechanizmowi związanemu z obrotami DNA.
Aby w pełni zrozumieć to odkrycie, warto wspomnieć, że w obecnych podręcznikach proces transkrypcji często przedstawiany jest jako przesuwanie się polimerazy RNA po nici DNA w sposób liniowy, od początku do końca genu. To uproszczone podejście prowadziło do licznych błędnych interpretacji, gdyż ignorowano istotny fakt: DNA składa się z dwóch splecionych nici. Ten pozornie drobny szczegół diametralnie zmienia nasze rozumienie transkrypcji – tłumaczy dr Tomasz W. Turowski z IBB PAN.
I proponuje, by zamiast myśleć o polimerazie RNA jak o koraliku, należy ją porównać bardziej do wagonika, który porusza się po skręconych torach DNA. Przy obecnej wiedzy o szybkości transkrypcji oraz liczbie skrętów w DNA, badacze obliczyli, że proces ten wymaga około 240 obrotów na minutę – tyle potrzeba, by możliwa była skuteczna produkcja RNA. Co więcej, masa produkowanego RNA może wielokrotnie przewyższać masę samej polimerazy RNA.
Te obliczenia skłoniły nas do przemyślenia dotychczasowego rozumienia transkrypcji. Gdyby każda z kilkunastu tysięcy polimeraz RNA w jądrze komórkowym obracała się z taką prędkością, mielibyśmy do czynienia z jednym wielkim mikserem. Dlatego skupiliśmy się na opracowaniu bardziej sensownego modelu – wyjaśnia dr Turowski.
W nowym modelu, który jest wypadkową badań własnych i innych zespołów, obrót możliwy jest dzięki obracaniu się nici DNA, co łączy pracę polimeraz w uporządkowany konwój i umożliwia ich synchronizację. Przykładem podobnego zjawiska z codziennego życia może być uporządkowany ruch samochodowy – auta poruszają się razem, a pewna niewidzialna siła dba o to, by nie zderzały się ze sobą. Kiedy jedno auto przyspiesza, reszta pojazdów dostosowuje prędkość, zaś hamowanie jednego powoduje, że cały ciąg zwalnia. W przypadku transkrypcji za synchronizację nie odpowiadają kierowcy, ale biofizyczne właściwości DNA.
Jednym z głównych osiągnięć opublikowanych badań jest pierwsze eksperymentalne potwierdzenie nowego modelu. Udało się to w sposób, który zazwyczaj zarezerwowany jest dla nauk fizycznych: na podstawie modelu przewidziano pewne właściwości procesu transkrypcji. Dzięki zaawansowanym metodom biologii molekularnej możliwe było potwierdzenie, że polimerazy RNA zachowują się zgodnie z przewidywaniami.
Zbadaliśmy także, co dzieje się, gdy jedna z polimeraz RNA w tym konwoju ulegnie awarii. Nasza praca opisuje mechanizmy, takie jak precyzyjne cięcie nowo powstającego RNA, pauzowanie i cofanie się polimeraz, które pozwalają na wznowienie procesu. Wadliwe fragmenty RNA są dodatkowo oznaczane krótką sekwencją nukleotydową (AAA) przez kompleks TRAMP, co umożliwia ich usunięcie przez komórkowe mechanizmy naprawcze – raportuje dr Tomasz W. Turowski.
Dotychczas sądzono, że produkcja RNA i kontrola jego jakości zachodzą po sobie, jedno po drugim. Nowe badania wykazały, że procesy te mogą wzajemnie na siebie wpływać w sposób, który wcześniej nie był znany. Zintegrowane działanie mechanizmów – od cięcia RNA, przez cofanie się polimerazy, po dodanie fragmentu AAA – zapewnia, że każde RNA jest poprawnie wyprodukowane, a DNA pozostaje dostępne dla innych polimeraz RNA.
Zrozumienie, w jaki sposób komórki radzą sobie z problemami podczas transkrypcji, jest kluczowe ze względu na potencjalne konsekwencje, takie jak niestabilność DNA, spontaniczne mutacje czy programowana śmierć komórki. Opublikowane badania są pionierskie i przybliżają nas do lepszego zrozumienia podstawowych procesów biologicznych. Wiedza na temat funkcjonowania komórek to pierwszy krok w diagnozowaniu chorób cywilizacyjnych oraz rzadkich chorób genetycznych, a także w opracowywaniu metod ich leczenia – podsumowują autorzy badania,
Wyniki ukazały się dziś na łamach prestiżowego czasopisma Cell Reports.
M
