В своем исследовании эволюционного происхождения и истории сплайсинга РНК и человеческого генома биохимики из Калифорнийского университета в Сан-Диего Навтей Тоор и Дэниел Хаак объединили двухмерные (2D) изображения отдельных молекул, чтобы восстановить трехмерное (3D) изображение части. РНК – то, что ученые называют интронами группы II.
При этом они обнаружили крупномасштабное молекулярное движение, связанное с катализом РНК, которое предоставляет доказательства происхождения сплайсинга РНК и его роли в разнообразии жизни на Земле. Их передовые исследования описаны в текущем выпуске Cell.
"Мы пытаемся понять, как эволюционировал геном человека, начиная с первобытных предков.
У каждого человеческого гена есть нежелательные некодирующие рамки, которые необходимо удалить перед экспрессией гена. Это процесс сплайсинга РНК », – заявил Тор, доцент кафедры химии и биохимии, добавив, что 15 процентов болезней человека являются результатом дефектов в этом процессе.
Тор объяснил, что его команда работает над выяснением эволюционного происхождения 70 процентов человеческой ДНК – части, состоящей из двух типов генетических элементов, которые, как считается, произошли от интронов группы II. В частности, сплайсосомные интроны, которые составляют около 25 процентов генома человека, представляют собой некодирующие последовательности, которые необходимо удалить перед экспрессией гена.
Остальные 45 процентов состоят из последовательностей, полученных из так называемых ретроэлементов. Это генетические элементы, которые вставляются в ДНК и прыгают по геному, чтобы реплицироваться через промежуточное звено РНК.
«Изучение интронов группы II дает нам представление об эволюции значительной части генома человека», – отметил Тор.
Работая с наномашиной РНК интронов группы II, Тоор и Хаак, научные сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего и первый автор статьи, смогли выделить комплексы интронов группы II из сине-зеленых водорослей, обитающих при высоких температурах.
«Использование интрона группы II из высокотемпературного организма облегчило определение структуры из-за врожденной стабильности комплекса этого вида», – сказал Хаак. "Эволюция этого типа сплайсинга РНК, вероятно, привела к разнообразию жизни на Земле."
Далее Хаак объяснил, что он и Тор обнаружили, что интрон группы II и сплайсосома имеют общий динамический механизм перемещения своих каталитических компонентов во время сплайсинга РНК.
«Это самое убедительное на сегодняшний день доказательство того, что сплайсосома произошла от бактериального интрона группы II», – сказал он.
Кроме того, результаты показывают, как интроны группы II могут вставлять себя в ДНК посредством процесса, называемого ретротранспозицией. Этот процесс копирования и вставки привел к тому, что эгоистичные ретроэлементы размножаются в ДНК человека и составляют значительную часть генома.
«Репликация этих ретроэлементов сыграла большую роль в формировании архитектуры современного человеческого генома и даже была вовлечена в видообразование приматов», – отметил Тор.
Исследователи использовали криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ) для извлечения молекулярной структуры интрона группы II. Они заморозили РНК в слое тонкого льда, а затем выпустили электроны через этот образец.
По словам ученых, электронный микроскоп может увеличить изображение в 39000 раз. Затем полученные 2D-изображения отдельных молекул были объединены, чтобы получить 3D-изображение интрона группы II.
«Это похоже на молекулярную археологию», – описывает Хаак. "Интроны группы II – это живые окаменелости, которые дают нам представление о том, как сложная жизнь впервые возникла на Земле."
Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (гранты 1R01GM123275, 1R01GM033050, NIH DP5 OD021396 и U54GM103368).