В сегодняшнем мире сложных организмов белки – настоящие звезды. Они незаменимые «рабочие лошадки»-катализаторы, осуществляющие необходимые для жизни процессы. Но очень-очень давно в мире царствовала рибонуклеиновая кислота – РНК.

Ученые Северо-западного университета (Northwestern University), США, получили кристаллическую структуру, демонстрирующую, как две из этих очень старых молекул взаимодействуют друг с другом. Это редкое свидетельство перехода от основанного на РНК древнего мира к миру современному, где доминируют белки-катализаторы.

Исследователи впервые показали детали того, как рибонуклеаза Р (RNase P) распознает, связывается и расщепляет транспортную РНК (tRNA). Для получения изображений кристаллов, образованных этими двумя молекулами РНК, они использовали мощный источник рентгеновского излучения Advanced Photon Source Аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory). Результат – описание одной из самых сложных моделей каталитической РНК и ее мишени.

Детали структуры опубликованы в журнале Nature.

«РНК – древняя молекула, но она довольно сложна», – говорит руководитель исследования профессор молекулярных бионаук Колледжа искусств и наук Вайнберга (Weinberg College of Arts and Sciences) Альфонсо Мондрагон (Alfonso Mondragón). «Наша кристаллическая структура показывает, что у РНК много свойств, которые мы приписываем современным молекулам. РНК – катализатор, обладающий универсальностью и сложностью современных белков».

Миллиарды лет назад и до наших дней функцией РНКазы P  – найденной почти во всех организмах, от бактерий до человека – являлось и является расщепление транспортных РНК. Если тРНК не расщеплена, она бесполезна для клетки.

«Мы знали, что эта важная химическая реакция существует, что РНК функционирует в качестве катализатора, но до сих пор не было известно, как именно это происходит», – говорит Мондрагон. «Теперь мы лучше понимаем, как работает РНК».

Структура бактериальной РНКазы P, состоящей из большой РНК-субъединицы (338 нуклеотидов, около 100 кДа) и небольшого белка (117 аминокислот, около 14 кДа), в комплексе с тРНК (76 нуклеотидов, около 26 кДа). РНК-компонент служит основным катализатором реакции и состоит из двух доменов – каталитического С-домена (синий) и домена специфичности S (голубой). Белок РНКазы Р (зеленый) связывается с 5′ областью субстрата пре-тРНК и помогает высвобождению продукта. (Иллюстрация с сайта nature.com)

Молекула РНКазы P, образованная из большого ядра РНК и небольшого белка, иллюстрирует эволюционный переход от мира РНК к сегодняшнему миру с доминирующими в нем белками. Белок помогает распознавать тРНК, но большая часть процесса узнавания осуществляется через РНК-РНК-взаимодействие, подразумевающее комплиментарность формы и нуклеотидов.

Полученная структура показывает, что когда РНКаза P распознает тРНК, она связывается с ней и с помощью ионов металла разрезает одну химическую связь. Это делает тРНК зрелой, превращая ее в меньшую молекулу, которая теперь может вносить свой вклад в протекающие в клетке фундаментальные процессы. РНК-фермент делает это снова и снова, разрезая каждую тРНК в одном и том же месте.

«Сделанное почти 30 лет назад открытие о том, что молекула РНК может иметь каталитические свойства, выдвинуло идею, что, возможно, первой молекулой была молекула РНК», – говорит Мондрагон. «Наша работа подтверждает гипотезу о том, что, когда жизнь только зарождалась, мир был миром РНК».

Аннотация к статье: Structure of a bacterial ribonuclease P holoenzyme in complex with tRNA