Ученые впервые увидели процесс чтения ДНК, необходимый для жизни клетки
Команда исследователей из Пенсильванского университета впервые смогла увидеть, как работает один из важнейших молекулярных механизмов клетки прямо внутри живого организма. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Копировальная машина внутри каждой клетки
У всех живых существ есть целый парк крошечных «копировальных аппаратов», которые переписывают инструкции из ДНК в молекулы РНК — а те нужны для строительства белков, поддерживающих жизнь организма. Один из таких наномеханизмов — эукариотическая РНК-полимераза II — выполняет ключевой начальный шаг практически в любом биологическом процессе клетки, «переписывая» инструкции из ядра и перенося их дальше для производства белков.
«Мы впервые видим этот процесс таким, каким он происходит на самом деле — так, как он ведет себя, когда никто не наблюдает, — говорит Кацухико Мураками, профессор молекулярной биологии Пенсильванского университета, один из руководителей исследования. — Раньше нам приходилось использовать сильно очищенные образцы в идеальных условиях, но реальная жизнь работает совсем не так».
Как удалось заглянуть внутрь живой клетки
Команда работала с эмбрионами плодовых мушек и разработала метод извлечения целых транскрипционных комплексов — кластеров из РНК-полимеразы II и ДНК, которые занимаются считыванием и копированием генов. Затем ученые применили криоэлектронную микроскопию (метод, при котором молекулы буквально замораживают на месте и рассматривают с почти атомарной точностью). Итоговая картина процесса транскрипции — переписывания генетической информации — оказалась куда динамичнее и неожиданнее, чем ожидала сама команда.
По словам Мураками, проект начался еще в 2021 году, когда почетный профессор биохимии Дэвид Гилмор показал ему очищенную РНК-полимеразу II из эмбриона мушки.
«Образец был не самым чистым, но именно это натолкнуло на идею, — вспоминает Гилмор. — Мы поняли, что можно использовать криоэлектронную микроскопию, чтобы изучить естественные транскрипционные комплексы прямо из него. После нескольких лет работы результат оказался весьма неожиданным».
Не все молекулы одинаковы
До этого исследования считалось, что РНК-полимераза II всегда состоит из 12 субъединиц, собранных в единое целое, и во всех клетках выглядит одинаково, говорит Гилмор. Но результаты команды показали — это не всегда так. У части молекул действительно все 12 субъединиц на месте, но у других недостает сразу двух — и остается только 10.
«Такой разброс никто не предполагал, поэтому находка оказалась по-настоящему неожиданной», — говорит Мураками.
Открытие может подсказать, как клетки поддерживают баланс между плотной упаковкой ДНК и ее доступностью тогда, когда это нужно. Подобные переходные моменты крайне сложно поймать в традиционных экспериментах, поэтому их появление на снимках особенно значимо.
Более «неаккуратная», но реалистичная картина клетки
«Раньше подход был довольно простым, — говорит Жан-Поль Армаш, доцент кафедры биохимии Пенсильванского университета, соавтор статьи. — Исследователи пытались получить один четкий снимок чего-либо и опубликовать результат. Теперь мы можем одновременно изучать целый набор вариантов и понимать, чем они отличаются. Это дает куда более полную, хаотичную, но точную картину происходящего — мы видим не один "стерильный" процесс, а сразу все, так, как жизнь и происходит на самом деле».
Это часть более широкого сдвига в современной биологии, отмечает Армаш: ученые уходят от искусственных лабораторных систем к наблюдению за молекулами прямо в живых клетках. Более точное понимание того, как устроено считывание генов в реальных условиях, дает достоверную картину работы клетки, а это может пригодиться в медицине.
По словам Мураками, такой подход может открыть дорогу к изучению множества других сложных клеточных процессов в естественной среде.
«Мы начинаем применять эту систему шире — не только на одном виде организмов, но и на других, например на археях, которые входят в состав микробиоты всех живых организмов, — говорит он. — Это только начало того, что нам удастся увидеть».
