Американские биологи расшифровали механизм, при помощи которого кишечная палочка E. coli приостанавливает работу своих генов при недостатке ресурсов и снова включает их, когда условия улучшаются. Ключевую роль в этом механизме играет особая молекула РНК (6S-РНК), один из фрагментов которой по своей структуре похож на промотор — участок гена, к которому должен прикрепляться фермент РНК-полимераза, осуществляющий транскрипцию («прочтение») генетической информации.
6S-РНК прикрепляется к активному центру фермента и не дает ему присоединиться к «настоящему» промотору. Чтобы освободиться, РНК-полимераза должна начать синтезировать копию 6S-РНК, а это возможно только при избытке ресурсов. Данная регуляторная система, основанная на конкуренции между ДНК и РНК за контроль над ферментом РНК-полимеразой, возможно, является одним из отголосков эпохи РНК-мира.
Нейлоновая модель фермента РНК-полимеразы, застигнутой в тот момент, когда она уже присоединилась к промотору, расплела двойную спираль ДНК и собирается приступить к прочтению генетической информации. Фото с сайта pingrysmartteam.com

Нейлоновая модель фермента РНК-полимеразы, застигнутой в тот момент, когда она уже присоединилась к промотору, расплела двойную спираль ДНК и собирается приступить к прочтению генетической информации. Фото с сайта pingrysmartteam.com

В последние годы одним из самых быстро развивающихся направлений в молекулярной биологии стало исследование разнообразных маленьких молекул РНК, которые, как выяснилось, играют в жизни клетки огромную роль. В результате этих исследований представления о молекулярных основах жизни сильно изменились. Еще лет 10 назад считалось, что в основе жизнедеятельности клетки лежат белки и ДНК, а РНК играет второстепенную роль посредника в процессе реализации записанной в ДНК наследственной информации.

Сегодня стало ясно, что молекулы РНК являются активными участниками множества жизненно важных процессов. Постоянно открываются новые функциональные молекулы РНК и новые «роли», выполняемые этими молекулами в клетке. Эти открытия в целом очень хорошо согласуются с теорией РНК-мира. Действительно, если древнейшие живые организмы умели обходиться вообще без белков и ДНК и все функции в них выполнялись молекулами РНК, то можно ожидать, что и в современных организмах эти многофункциональные молекулы не остались без работы.

В последнем номере журнала Science опубликована статья американских биологов, в которой описан новый крайне любопытный механизм регуляции работы генов при помощи РНК, встречающийся у бактерий. В этом механизме, на наш взгляд, довольно ясно угадывается «след РНК-мира». Главный участник новооткрытой регуляторной системы — особая молекула РНК (6S-РНК). Эта молекула присоединяется к ферменту РНК-полимеразе, отвечающему за считывание генетической информации, и не дает ферменту нормально работать. В результате клетка перестает «считывать» собственные гены и синтезировать белки. Это происходит при недостатке ресурсов, когда бактерии выгодно приостановить жизнедеятельность и подождать «лучших времен».

Известно довольно много регуляторных РНК, способных связываться с белками и влиять на их функции, так что сама по себе такая регуляция не новость. По-настоящему интересным и новым является то, каким образом 6S-РНК соединяется с РНК-полимеразой, и в особенности то, как она от нее потом открепляется.

Прежде всего исследователи реконструировали пространственную структуру молекулы 6S-РНК. Зная последовательность нуклеотидов в молекуле РНК, можно довольно точно предсказать ее трехмерную конфигурацию: какие участки «слипнутся» в двойную спираль, какие останутся одноцепочечными, где образуются петли и т. д.
А — структура 6S-РНК кишечной палочки. B — промотор (участок ДНК, к которому прикрепляется РНК-полимераза). Рис. из цитируемой статьи в Science

А — структура 6S-РНК кишечной палочки. B — промотор (участок ДНК, к которому прикрепляется РНК-полимераза). Рис. из цитируемой статьи в Science

Оказалось, что большая часть молекулы образует двойную спираль (см. рис., А). Посередине молекулы имеется «расплетенный» участок, похожий по своей структуре на промотор (B) — участок ДНК, к которому должна прикрепляться РНК-полимераза и с которого начинается транскрипция.

Ученым удалось экспериментально показать, что РНК-полимераза действительно принимает этот псевдопромотор, расположенный на 6S-РНК, за «настоящий», и прикрепляется к нему своим активным центром. В результате активный центр фермента оказывается «забит», и фермент выводится из строя — правда, не навсегда. Чтобы освободиться от «застрявшей» в его активном центре молекулы 6S-РНК, фермент РНК-полимераза, как выяснилось, должен совершить удивительное действие. Он должен начать синтезировать на матрице 6S-РНК ее копию, то есть вести себя как РНК-зависимая РНК-полимераза — древнейший из ферментов, отвечавший за размножение организмов в РНК-мире.

Это происходит, когда в окружающей среде становится достаточно ресурсов и в клетке возрастает концентрация активированных нуклеотидов (нуклеотид-трифосфатов) — тех кирпичиков, из которых собираются молекулы РНК и ДНК. РНК-полимераза начинает осуществлять «транскрипцию» молекулы 6S-РНК с того самого нуклеотида, с которого должна была бы начаться транскрипция, будь на месте 6S-РНК с ее псевдопромотором молекула ДНК с настоящим промотором (на рисунке этот нуклеотид U отмечен Г-образной стрелкой).

Этот странный архаичный процесс продолжается недолго. Когда синтезированный фрагмент РНК достигает длины 20 нуклеотидов (на рисунке копируемый участок РНК обведен рамочкой), этот фрагмент вступает во взаимодействие с собственной матрицей, то есть с молекулой 6S-РНК, и «отрывает» ее от РНК-полимеразы. Освобожденная РНК-полимераза теперь может приступить к своей основной работе — прочтению генов, то есть синтезу РНК на матрице ДНК.

Эту необычную систему регуляции работы генов можно было бы интерпретировать просто как некую «причуду матушки-природы» (сами авторы, надо сказать, вообще воздерживаются от каких-либо эволюционных интерпретаций своего открытия), если бы не опубликованная практически одновременно в журнале PLoS Biology статья, о которой только что рассказали «Элементы».

В этой статье показано, что ферменты транскрипции (ДНК-зависимые РНК-полимеразы) современных организмов происходят от РНК-зависимых РНК-полимераз, возникших, вероятно, еще в эпоху РНК-мира. Получается, что РНК-полимераза кишечной палочки, синтезируя короткую молекулу РНК на РНК-матрице, как бы «вспоминает» свое далекое прошлое. Этот процесс вполне может быть не новообразованием, а наследием эпохи РНК-мира. А вся эта новооткрытая регуляторная система может быть отголоском того периода эволюции жизни, когда организмы, построенные на основе РНК и первых немногочисленных белков, уже начали обзаводиться молекулами ДНК в качестве более надежных хранителей наследственной информации. В этот период между «РНК-генами» и «ДНК-генами» могла существовать конкуренция за фермент РНК-полимеразу. Процессы и связи, развившиеся в результате этой конкуренции, могли впоследствии лечь в основу различных систем регуляции работы генов.

С этой точки зрения выявленное в последние годы чрезвычайно активное участие маленьких молекул РНК в регуляции работы генов выглядит вполне закономерным и ожидаемым.