Версия для печати

Ученые сыграли миноры РНК

Важнейшие элементы структуры рибонуклеиновых кислот детально описаны и классифицированы. Это позволит точнее их выявлять в автоматическом режиме и даже предсказывать. Статья по результатам работы опубликована в RNA

Несмотря на химическое сходство с хорошо изученной молекулой ДНК, биология РНК (рибонуклеиновой кислоты) находится в зачаточном состоянии. Повышенный интерес к ней наука проявляет лишь несколько десятков лет – во многом благодаря теории о том, что именно РНК была первой структурой, способной к самовоспроизводству, и современной жизни предшествовал «древний мир РНК». Сегодня биологи исследуют эту макромолекулу как для познания фундаментальных основ возникновения всего живого, так и для решения узких прагматических задач в области биохимии и синтетической биологии. Особое внимание уделяют так называемой некодирующей РНК (нкРНК) – молекулам рибонуклеиновых кислот, по последовательности которых не синтезируются белки. Доказано, что нарушения экспрессии нкРНК сопровождают многие заболевания, в том числе онкологические и наследственные. Но в этой молекуле много неизведанного.

Группа ученых из МФТИ, МГУ, ИМПБ РАН — филиала ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и ряда других научных институтов занималась как раз «тёмной материей» нкРНК – псевдоузлами и третичными мотивами. Псевдоузлы представляют собой элементы вторичной структуры молекулы РНК. Они чрезвычайно важны – в частности, для активности РНК-компонента «фермента молодости» - теломеразы, для функционирования фермента-катализатора - РНКазы P, и даже для проникновения некоторых вирусов в клетку-хозяина, но сложны для изучения. Без них предсказывать и анализировать структуры можно быстро и удобно, а с ними все алгоритмы становятся неполиноминальными, то есть время их выполнения растёт экспоненциально от длины цепи РНК.

«Из-за того, что они неудобны именно вычислительно, на них перестали смотреть системно. Т.е. по отдельности конкретные функциональные псевдоузлы исследуют, конечно, но мы практически первые, кто систематически подошел к вопросу, а какие псевдоузлы вообще бывают, какие в них есть структурные закономерности. Унас получилось выделить в псевдоузлах повторяющиеся типы петель, аналогичные петлям структур без псевдоузлов, что позволило единым образом описывать любые типы вторичных структур РНК, и это описание мы использовали для разработки универсальной классификации третичных мотивов, которые встречаются в известных пространственных структурах РНК, - поясняет один из авторов работы с.н.с. ИТЭБ РАН Лилия Фахранурова.

Третичные мотивы - более слабые повторяющиеся фрагменты третичной структуры РНК - выполняют тоже множество важных функций, таких как регуляция транскрипции и трансляции, посттрансляционная модификация и клеточная локализация белков. От их работы, возможно, зависит продолжительность жизни. Например, с 2000-го года известно, что некоторые антибиотики – ингибиторы белкового синтеза - фиксируют в рибосоме один из третичных мотивов – А-минор, что приводит к неспособности рибосомы различать определенные нуклеотидные фрагменты, а в конечном итоге – к накоплению нефункциональных белков, что выражается в ускоренном старении организма.

Ученые составили полное описание самого часто встречающегося третичного мотива – А-минора, во всех известных пространственных структурах некодирующих РНК и определили, в каких участках спиралей и петель «сидят» нуклеотиды этого мотива. Кроме того, ученым удалось найти новый повторяющийся ко-мотив А-минора ( его назвали across-bulged мотив), который ранее не был описан. Всего в молекуле было обнаружено 34 таких мотива. За что этот элемент отвечает на молекулярном уровне, каково может быть его значение для организма в целом, только предстоит узнать.

Главный смысл всех этих описаний – глубокое понимание самых «тонких настроек» РНК, благодаря которым можно лучше узнать потенциал одной из «молекул жизни».

«Если ранее разрозненно изучались отдельные классы А-миноров, то мы ввели классификацию, в которую все известные классы хорошо уложились. Т.е., грубо говоря, люди знали про ноги, хобот и бивни независимо, а мы пришли и сказали, что это всё на самом деле части одного слона, у которого к тому же ещё и хвост между прочим имеется. Например, все знали, что мотив Kink-turn содержит в себе хотя бы один А-минор. А мы показали, что есть класс А-миноров с аденином из внутренней петли, который взаимодействует с близлежайшим участком спирали. Такой класс дальше делится на мотивы kink-turn и across-bulged мотивы, и т.д., - комментирует Лилия Фахранурова. - В результате мы выявили соответствие между отдельными классами А-миноров и известными "ко-мотивами" А-миноров (более сложными фрагментами структуры, которые обязательно в себе содержат хотя бы один А-минор). Таким образом, теперь можно автоматически выявлять ко-мотив А-минора, зная его структурное окружение на уровне вторичной структуры, а А-миноры, находящиеся внутри псевдоузла, можно даже предсказывать, зная последовательность нуклеотидов и вторичную структуру».

По мнению авторов работы, эту классификацию, успешно опробованную на примере А-миноров, можно применять практически к любому заданному набору нуклеотидов. В дальнейшем ученые планируют заняться именно этим: объединением в систему на базе изученного принципа других распространенных третичных мотивов и взаимодействий, а также детальным исследованием более редких неканонических типов А-миноров.

Источник: Anna A Shalybkova, Darya S Mikhailova, Ivan V Kulakovskiy, Liliia I Fakhranurova and Eugene F Baulin. Annotation of the local context of the RNA secondary structure improves the classification and prediction of A-minors. Published in Advance May 20, 2021.https://rnajournal.cshlp.org/content/early/2021/05/20/rna.078535.120.abstract

Материал подготовила: Наталья Быкова

Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru

На рисунке: Пример классификации А-минора. Граф вторичной структуры лизиновогорибосвитча из PDB-файла 3D0U построен с помощью программы VARNA [94]. Петли и стемы аннотированы в соответствии с предложенной моделью описания вторичной структуры РНК.

Нуклеотиды А-минора A124|A20-G66, принадлежащего геометрическому типу X, выделены на графе красным, зеленым и синим цветами соответственно, а также изображены отдельно в виде 3D структуры. Каждый нуклеотид А-минора аннотирован соответствующим элементом вторичной структуры РНК. Каждая пара нуклеотидов А-минора аннотирована типом их взаимного расположения.
Рисунок предоставлен Л.Фахрануровой.