Учёные из Исследовательского института Скриппса (США) пролили новый свет на молекулярный механизм, который включает/выключает экспрессию генов в ответ на потребности клетки.

Каждый ген служит рецептом для построения белковой молекулы. Когда клетке нужен определённый белок, соответствующий ген в ДНК включается, то есть транскрибируется в информационную РНК, которая затем переносит инструкцию в клеточный цех по производству белков.

В течение многих лет учёные считали, что белки́ — единственные молекулы в клетках, приспособленные для выполнения сложных задач, в частности регулирования экспрессии генов или проведения химических реакций.

Но в последние пару десятилетий выяснилось, что определённые типы РНК имеют большой опыт в совершении подвигов, достойных белка. Один из таких примеров — рибопереключатели.

Рис. 1. Возникновение жизни на Земле (иллюстрация синтеза РНК, выполненная Byte Size Biology).

Обнаруженные около восьми лет назад рибопереключатели — это короткие участки информационных РНК. Они связывают определенные метаболиты и (в зависимости от того, как проходит связывание) включают и выключают производство определённых белков.

До сих пор большинство генетиков считали, что один рибопереключатель специфичен лишь для одного метаболита. Новое исследование, проведённое под руководством Марты Федор, впервые показало, что они отвечают на сигналы нескольких метаболитов сразу.

Учёные заинтересовались функциями рибопереключателя, который связывается с метаболитом глюкозамин-6-фосфат. Этот аминосахар, строительный блок для многих гликозидов и гликанов, необходим для клеточной стенки и других жизненно важных структур в бактериальных клетках. Рибопереключатель обитает в РНК, которая переносит инструкцию по производству фермента GlmS, ответственного за выделение глюкозамин-6-фосфата. Известно, что, когда концентрация глюкозамин-6-фосфата велика, рибопереключатель останавливает производство фермента GlmS, уничтожая себя и свою РНК.

Г-жа Федор и её аспирант Питер Уотсон разработали метод измерения количества этого рибопереключателя в клетках по мере увеличения концентрации глюкозамина. И наткнулись на загадочный эффект. Если дрожжи выращивались в богатой энергией среде, содержащей глицерин (3-углеродный источник энергии), рибопереключатель вёл себя ожидаемо, то есть отключал GlmS-РНК. Если же бактерии выращивались в бульоне с глюкозой (6-углеродный источник энергии), рибопереключатель не прибегал к самоубийству.

Оказалось, что этот рибопереключатель может связывать не только глюкозамин-6-фосфат, но и глюкозо-6-фосфат.

Когда уровень глюкозы в клетке достигает высокой концентрации, это означает, что энергии достаточно. Когда клетке надо расти и делиться, ей нужен глюкозамин-6-фосфат, чтобы строить новую клеточную стенку. Таким образом, GlmS-рибопереключатель поддерживает баланс между этими двумя веществами и, возможно, другими конкурирующими сигналами. Подобный вид комплексной сигнализации всегда считался прерогативой белков.

Рибопереключатели пока не обнаружены в человеческом организме, но г-жа Федор считает, что это вопрос времени.

Результаты исследования опубликованы в статье:

Peter Y Watson & Martha J Fedor The glmS riboswitch integrates signals from activating and inhibitory metabolites in vivo. – Nature Structural and Molecular Biology. – doi:10.1038/nsmb.1989; Published online 13 February 2011.