Все клеточные организмы используют два типа нуклеиновых кислот, РНК и ДНК для хранения, размножения и использования своей генетической информации. Синтез ДНК осуществляется ферментами, называемыми ДНК-полимеразами, и необходим для точной передачи генетической информации от поколения к поколению.
Синтез РНК осуществляется ферментами, называемыми РНК-полимеразами, и необходим для использования генетической информации для производства белков, которые, в свою очередь, выполняют большинство структурных и каталитических функций во всех современных живых организмах.
Древняя проблема, с которой сталкиваются РНК и ДНК-полимеразы, заключается в том, что строительные блоки ДНК и РНК очень трудно различить. Эти строительные блоки идентичны, за исключением небольшой части молекулы, называемой группой 2’OH, которая присутствует в строительных блоках РНК, но отсутствует в строительных блоках ДНК.
ДНК-полимеразы избегают использования строительных блоков РНК за счет наличия полости, называемой активным центром, которая достаточно велика, чтобы связывать строительные блоки ДНК, но слишком мала, чтобы вместить немного большие строительные блоки РНК.
В результате только строительные блоки ДНК связываются с полостью активного сайта и прикрепляются к растущему полимеру ДНК.
«РНК-полимеразы не могут использовать ту же стратегию, потому что меньшие строительные блоки ДНК всегда будут помещаться в ту же полость активного сайта, что и строительные блоки РНК», – объясняет старший научный сотрудник Георгий Белогуров.
Полость активного сайта РНК-полимеразы деформирует строительные блоки ДНК
Чтобы понять, как РНК-полимеразы избегают использования строительных блоков ДНК, группа исследователей из Университета Турку во главе с Белогуровым провела сложные биохимические измерения с использованием РНК-полимераз, которые были изменены тщательно сконструированными мутациями. В то же время исследовательская группа из Университета штата Пенсильвания, США, во главе с профессором Кацухико Мураками, получила подробную трехмерную структуру РНК-полимеразы со строительным блоком ДНК.
Путем комбинированного анализа биохимических и структурных данных кандидат в докторантуру Янне Макинен, первый автор исследования, и его коллеги обнаружили, что РНК-полимераза развила полость активного центра, которая деформирует строительные блоки ДНК, так что они больше не подходят для включения в цепь РНК.
«Деформированные строительные блоки ДНК затем отделяются от РНК-полимеразы вместо того, чтобы прикрепляться к растущему РНК-полимеру», – говорит Макинен.
Человеческие и вирусные РНК-полимеразы по-разному выбирают строительные блоки РНК – открытие позволяет разработать более эффективные противовирусные препараты
Исследование финансировалось Академией Финляндии, Фондом Сигрид Джуселиус (Финляндия) и Национальным институтом здоровья (США) и имеет далеко идущие последствия для трансляционных исследований.
«РНК-вирусы, такие как SARS-Cov-2, который является возбудителем заболевания COVID-19, также синтезируют РНК как часть своего инфекционного цикла.
Вирусы используют свои собственные РНК-полимеразы, которые сильно отличаются от РНК-полимераз человеческой клетки, но также должны выбирать строительные блоки РНК и отвергать строительные блоки ДНК », – говорит Георгий Белогуров.
Путем тщательного сравнения недавно открытого механизма селективности с результатами других исследовательских групп Макинен и его коллеги пришли к выводу, что вирусные и человеческие РНК-полимеразы используют разные механизмы для отторжения строительных блоков ДНК.
Они предполагают, что можно создать синтетическую молекулу, подобную строительному блоку ДНК, которая будет избирательно связывать и ингибировать вирусную РНК-полимеразу, но будет отвергаться РНК-полимеразами человека и, следовательно, не будет мешать синтезу РНК, необходимых человеческой клетке.
«Это открывает путь для разработки эффективных и селективных противовирусных препаратов, нацеленных на вирусные РНК-полимеразы», - говорит Белогуров.