В мире клеточных процессов, где генетическая информация танцует в ритме жизни, ключевую роль играет белок под названием РНК-полимераза II (Pol II). Этот удивительный «писатель ДНК», присутствующий во всех живых существах, от простейших вирусов до человека, отвечает за транскрипцию – процесс преобразования наследственной информации из ДНК в РНК. Долгое время механизм, с помощью которого Pol II добавляет нуклеотиды к растущей цепи РНК, оставался загадкой для ученых. Но теперь исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики США прорвали эту тайну, открыв секреты этого сложного танца атомов.
Проблемный Металл и Ключевой “Триггер”
Главной преградой на пути к пониманию работы Pol II была изменчивость металлов, особенно магния, в его активном центре. Эти «химические помощники» играют решающую роль в присоединении нуклеотидов, но их быстрое появление и исчезновение затрудняли наблюдение за ними.
“Химический состав полимеразы включает в себя металлы, которые временно присутствуют в активном центре, словно молниеносные гости, что усложняет их обнаружение,” – поясняет Гильермо Калеро, исследователь и профессор Питтсбургского университета.
Чтобы преодолеть эту временную преграду, команда ученых применила инновационный метод кристаллизации с использованием специальной соли, способствующей межбелковым взаимодействиям. Этот трюк позволил зафиксировать Pol II в ранее невиданном состоянии – словно поймать «писателя» на мгновение во время работы.
Рентгеновский Лазер: Окно в Микромир
Ключевым инструментом в этой научной охоте стал рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source (LCLS) от SLAC. Этот мощный инструмент предоставил возможность собрать данные о структуре Pol II до того, как образец подвергся разрушительному воздействию радиации. Благодаря этому удалось получить невероятно четкое изображение «писателя» и его движений.
“Впервые мы смогли увидеть три иона магния в активном центре,” – рассказывает Айна Коэн, ученый SLAC. – “Это стало возможным только благодаря данным лазера на свободных электронах, который позволил нам разглядеть этот чрезвычайно чувствительный к излучению третий ион металла.”
Мутация: Ускорение и Ошибки
Ученые также изучили мутированную версию Pol II. Эта модифицированная «писательница» работала быстрее, но допускала больше ошибок при копировании генетической информации.
“Мутация меняет структуру Pol II, словно переписывает правила игры,” – объясняет Крейг Каплан, профессор Питтсбургского университета. – “Используя LCLS, мы можем идентифицировать эти структурные изменения, чтобы понять, как мутация влияет на активность Pol II.”
Вперед: Новые Лекарства и Понимание Жизни
Исследователи продолжают свои исследования с применением методов временного разрешения, стремясь зафиксировать динамику работы «триггерной петли» Pol II в режиме реального времени. Это позволит им полностью разгадать тайны функционирования этого удивительного белка и глубже понять процесс экспрессии генов – фундаментальный механизм жизни.
Понимание деталей работы человеческой Pol II открывает новые горизонты в разработке лекарств. Теперь ученые могут создавать молекулы, которые будут избирательно блокировать работу вирусных и бактериальных полимераз, оставляя при этом «писателей» человека нетронутыми. Это принципиально важно для создания эффективных противомикробных и противовирусных препаратов с минимальными побочными эффектами.
“Эти структуры не только расширяют наше понимание работы человеческой РНК-полимеразы, но и предоставляют основу для разработки более точных противовирусных препаратов с меньшим риском побочных действий,” – подчеркивает Айна Коэн.
Исследование ученых из SLAC – это важный шаг в дешифровке кода жизни, открывающий путь к новым терапевтическим решениям и более глубокому пониманию самого процесса существования.
