«Когда бактерии испытывают стресс, например, голод, они модифицируют экспрессию своих генов», – сказал Кацухико Мураками, профессор биохимии и молекулярной биологии Университета Пенсильвании и автор статьи. «В 1969 году наш соавтор Майкл Кашел обнаружил, что новая молекула появилась в E. coli, когда бактериям не хватало основных питательных веществ. Кашел назвал эту молекулу, которая обнаружилась как новое пятно на хроматограмме, «волшебным пятном» из-за ее появления, казалось бы, из ниоткуда, когда бактерии голодали."
Впоследствии было показано, что волшебным пятном является гуанозинтетрафосфат, или ppGpp, химически модифицированный аналог нуклеотида G в алфавите ATCG генома. Его появление после голодания и других стрессов связано с изменениями экспрессии более 500 генов, в первую очередь генов структурных РНК, которые являются компонентами рибосомы – фермента, ответственного за синтез белка.
Молекула ppGpp взаимодействует с E. РНК-полимераза coli – клеточная машина, которая производит РНК из геномной ДНК – но как именно это взаимодействие контролирует экспрессию генов, остается загадкой. Однако новые рентгеновские кристаллические структуры дают ключ к разгадке этого процесса, впервые показывая трехмерные изображения E. coli РНК-полимераза в комплексе с ppGpp и еще одним важным фактором, который работает с ppGpp, DksA.
Трехмерная структура РНК-полимеразы хорошо известна, но увидеть структуру РНК-полимеразы, когда она взаимодействует с другими молекулами, оказалось технически сложно. Взаимодействующие молекулы часто диссоциируют в процессе кристаллизации, чтобы увидеть их структуру. Исследователи преодолели эту трудность, добавив к РНК-полимеразе молекулы DksA и ppGpp, которые кристаллизовались независимо.
«Сначала мы создали кристаллы РНК-полимеразы, а затем пропитали DksA и ppGpp», – сказал Вадим Молодцов, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета и еще один автор статьи. «Когда мы это сделали, мы увидели, что ppGpp связывается с комплексом РНК-полимеразы и DksA таким образом, что меняет взаимодействие между РНК-полимеразой и DksA.
Мы думаем, что это изменение может быть ключевым для объяснения того, как ppGpp изменяет транскрипцию, чтобы бактерии могли реагировать на стресс."
РНК-полимераза в бактериях контролирует экспрессию всех генов, но в ответ на присутствие ppGpp уровни экспрессии некоторых генов снижаются, в то время как многие из них остаются неизменными, а некоторые повышаются. Эти изменения в уровнях экспрессии позволяют бактериям изменять свой состав, чтобы лучше пережить стресс.
Исследователи предполагают, что разные ответы могут быть связаны с индивидуальными различиями в промоторах – последовательностях ДНК у зародышей генов, которые инициируют экспрессию – отдельных генов.
«Мы полны бактерий», – сказала Сара Адес, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета и автор статьи. «Они влияют на наше настроение, они влияют на наш вес, они влияют на нашу иммунную систему. Система ppGpp важна для многих этих бактерий, позволяя им чувствовать окружающую среду и приспосабливаться к стрессу. Понимание того, как функционирует ppGpp, позволит нам лучше понять эти бактерии и то, как они влияют на нас.
Система также важна для бактериальных патогенов, вызывающих инфекционные заболевания. Понимание того, как работает ppGpp, может позволить нам найти способы нарушить его функции и разработать новые антибиотики."