«Все думали:« Зачем заботиться о РНК-мессенджере? Эти молекулы имеют высокую скорость оборота и быстро разлагаются, так что какое это имеет значение, если одна из них повреждена? », — сказал Хани Захер, доктор философии, доцент кафедры биологии в искусстве.
Наук в Вашингтонском университете в Сент-Луисе.«Вероятно, это верно для таких организмов, как кишечная палочка или дрожжи», — сказал Захер. «Вам не нужно беспокоиться о мРНК, потому что она меняется очень быстро. Но в нейронах вы не можете использовать этот аргумент, потому что мРНК может сохраняться, в некоторых случаях в течение нескольких дней.
И если эта мРНК действительно повреждена, она может стать большая проблема."«Могут быть случаи, когда информационная РНК так же важна, как и ДНК», — сказала Кэрри Симмс, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Захера. «Ясно, что окислительное повреждение РНК каким-то образом связано с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера и БАС. Это не обязательно вызывает болезнь; это может быть просто своего рода побочным продуктом; но это смесь».
«В нормальных условиях окисляется только около 1 процента клеточных мРНК, — сказал Захер, — но если у вас есть окислительный стресс по какой-либо причине, больший процент может быть поврежден.Одним из отличительных признаков болезни Альцгеймера является окислительный стресс, и исследования показали, что у людей с запущенной болезнью Альцгеймера половина молекул РНК в нейронах может окисляться.В выпуске Cell Reports от 13 ноября Захер, Симмс и их коллеги сообщают, что, когда они скармливали окисленную мРНК рибосомам, наномашинам, которые конвертируют мРНК в белок, рибосомы застревают и останавливаются.
Застрявшую рибосому можно было спасти с помощью факторов, которые высвободили ее из мРНК и пережевали поврежденный транскипт. Но если бы факторы, участвующие в этой системе контроля качества, отсутствовали, поврежденная мРНК накапливалась в клетке, как это происходит при болезни Альцгеймера.Сюрприз
Три клеточных процесса, необходимых для жизни, — создание копий ДНК, копирование ДНК в мРНК и преобразование мРНК в белок — были наказаны эволюцией на миллиарды лет, они удивительно точны, потому что эволюция жестко наказывала любую небрежность.Ошибки при копировании ДНК возникают только один раз на миллиард событий. Когда ДНК транскрибируется в мРНК, ошибка возникает примерно раз в десять тысяч событий, а когда мРНК транслируется в белок, ошибка может быть один раз в тысячу событий.Чтобы проверить надежность трансляции, лаборатория Захера намеревалась взломать ее, передав ошибочные транскрипты мРНК рибосомам.
Они повредили одну букву в трехбуквенной кодирующей единице мРНК, окислив G (основной гуанин), чтобы создать то, что называется 8-оксо-G.«Мы выбрали это окисленное основание, — сказал он, — потому что мы знали, что при копировании ДНК окисленный G вызывает ошибку.
Вместо того, чтобы спариваться с C, как это обычно бывает, 8-oxo-G будет спариваться с A. . "Он думал, что рибосома будет читать трехбуквенный кодон C [8-oxo-G] C не как CGC, а как CAC, и, следовательно, поместит неправильную аминокислоту в белковую цепь, которую она производит.Но когда 8-оксо-G был добавлен в суп, содержащий все факторы, необходимые для трансляции мРНК в белок, произошло нечто удивительное.
«Мы ожидали, что сможем получить аберрантные белки», — сказал Симмс. «Но рибосома не делала ошибок. Она просто остановилась. Она вообще не могла иметь дело с мРНК»
Ученые могли сказать, что он застрял, потому что уровень белка, кодируемого неисправной мРНК, резко упал.Чтобы убедиться, что значение имеет скорее присутствие, чем положение 8-оксо-G, Симмс создал мРНК с 8-оксо-G в каждом из трех положений трехбуквенной кодирующей единицы. Каждый раз рибосома останавливалась.Непрерывный распад
Зная, что они нашли что-то интересное, ученые повысили свою игру. Симмс построил более длинную мРНК из 300 нуклеотидов для использования в качестве зонда. И вместо того, чтобы добавить поврежденную мРНК к восстановленной бактериальной системе, она поместила ее в экстракты клеток растений и животных.«Мы не могли смотреть на рибосомы в экстрактах, — сказал Симмс, — но мы могли смотреть на белки, которые они производили.
Они образовывали короткие белки, точно такой длины, которую можно было бы ожидать, если бы рибосома останавливалась на поврежденном основании».Одна мРНК обычно имеет несколько перемещающихся по ней рибосом, все одновременно транслирующих этот транскрипт в белок. Когда первая рибосома останавливается, остальные накапливаются позади нее.«Вы получаете этот небольшой продукт, который говорит вам, что рибосома не может пройти через 8-оксо-G, а затем вы получаете еще меньшие продукты, которые говорят вам, что за первой рибосомой застряло несколько рибосом.
Таким образом, резервные рибосомы образуют лестницу пептидов ", — сказал Захер.«Это проблема», — сказал он. «Среди прочего, рибосома — дорогая машина, в создание которой клетка вложила много энергии, и теперь она застряла на мРНК.
Вам нужны эти рибосомы обратно».К счастью, у рибосом есть три системы контроля качества, которые следят за ошибками в мРНК и спасают рибосомы, если обнаруживают серьезные ошибки. Одна из таких систем — это «непрекращающийся распад».
Когда рибосомы застревают и не могут двигаться вперед, они привлекают факторы, которые вступают в силу, чтобы вскрыть рибосому, пережевывать мРНК и добавить метку к дефектному пептиду, которая отмечает его деградацию ».Но непроходимый распад был первоначально обнаружен путем создания искусственных преград на пути рибосомы: мРНК с большой шпилькой в ??них поворачиваются, и рибосома не может раскручиваться или проходить через них.«Четыре миллиарда лет эволюции убедили, что в вашем геноме нет последовательностей, образующих шпильки, поэтому они явно не являются предполагаемыми целями для непрекращающегося распада», — сказал Захер.
Были ли мишенью окисленные мРНК?Не просто посредник
Чтобы выяснить это, ученые обратились к дрожжевым клеткам. Если бы рибосомы дрожжей застряли на окисленной мРНК, но были спасены непрекращающимся распадом, в клетке накопилось бы очень мало поврежденной мРНК. Так оно и было.Затем Симмс удалил ген фактора, который высвобождает рибосому из мРНК, когда она застревает.
У этих нокаутных дрожжей уровень окисленной мРНК повышался. Затем она удалила ген фактора, который задействован для разрушения мРНК после высвобождения рибосомы, и снова уровень окисленной мРНК повысился. Без непрекращающегося распада клетки явно были в беде.«Система, которая переводит мРНК в белок, очень консервативна, поэтому то, что верно для дрожжей, вероятно, верно и для людей», — сказал Захер.
Причастна ли окисленная мРНК к заболеванию? Наука недавно опубликовала работу, показывающую, что мыши с двойным дефектом в их системе трансляции страдают тяжелым нейродегенеративным заболеванием, сказал Захер.Один из дефектов — это ошибка в t-РНК мыши (другой тип РНК, участвующей в трансляции), которая останавливает рибосому, а другой — дефект в системе, которая спасает рибосому, когда она останавливается. По словам Захера, мыши с обоими дефектами начинают плохо ходить и умирают через несколько недель.
«Люди всегда говорили, что мРНК — это просто посредник, — сказал Симмс. — ДНК и белок являются ключевыми факторами, а РНК — это именно тот парень, который создается, а затем передается, и это не так уж важно. Но мы видим, что это важно; гораздо важнее, чем мы думали ».«Оглядываясь назад, становится ясно, что мРНК имеет значение, — сказал Захер. «Вот почему мы разработали три независимых пути, чтобы гарантировать, что сломанные мРНК не задерживаются надолго».