Цивилизация
О новой работе российских ученых, которая вышла в престижном научном журнале PNAS и посвящена генетической регуляции, рассказал один из ее авторов — заведующий лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов Института молекулярной генетики Российской академии наук Андрей Кульбачинский.
— Чему посвящена ваша работа?
— Все знают, что генетическая информация каждого организма записана в последовательности его ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Прочитывание этой информации происходит в несколько стадий, первой из которых является транскрипция — «переписывание» последовательности генов в форму РНК (рибонуклеиновая кислота).
РНК затем используется в качестве инструкции для синтеза молекул белка.
Транскрипция — одна из основных стадий регуляции активности генов. Переключение активности индивидуальных генов в составе генома необходимо для нормального развития клеток и целых организмов и их адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды.
При этом само явление переключения генов было впервые открыто еще на заре молекулярной генетики на примере бактериофагов — так называют вирусы, которые способны заражать бактерии и приводить к их гибели: из-за относительной простоты строения своего генома бактериофаги служат классическим объектом для исследований механизмов генетической регуляции.
Замечательно, что это открытие — изменение активности генов в ходе заражения бактерии бактериофагом — было сделано в самом начале 1960-х годов в нашей стране под руководством выдающегося ученого, одного из основателей молекулярной генетики Романа Бениаминовича Хесина.
Именно его работы заложили основы нескольким направлениям исследований в области генетической регуляции, которые успешно развиваются его учениками у нас в стране и в мире.
— В чем заключается новизна работы?
— Опубликованная нами работа посвящена как раз механизмам такой регуляции. Синтезом РНК в клетках всех организмов занимается специальный фермент — РНК-полимераза. Бактериофаги часто используют РНК-полимеразу клеток бактерий для своих нужд, чтобы синтезировать РНК-копии собственных генов. Но как заставить ее это делать?
Мы исследовали механизмы такого переключения активности РНК-полимеразы на примере одного из бактериофагов, который заражает бактерию — вредителя риса.
Этот бактериофаг интересен еще и тем, что может быть использован для борьбы с бактериальными инфекциями растений.
Оказалось, что в геноме бактериофага закодирован маленький белок, который связывается с РНК-полимеразой клетки-хозяина и полностью меняет ее свойства: РНК-полимераза перестает «читать» собственные гены клетки, но при этом становится активнее в чтении генов бактериофага.
В частности, РНК-полимераза перестает видеть «знаки препинания» в ДНК бактериофага и в том месте, где должна быть остановка (терминация) транскрипции, продолжает синтез — такое явление получило название антитерминации. Это позволяет получить РНК-копии тех генов, которые находятся после сигналов остановки. Мы смогли установить механизм антитерминации и нашли мишень для действия данного белка на поверхности молекулы РНК-полимеразы.
Так как структура РНК-полимеразы в целом похожа у всех организмов, включая человека, можно предположить, что сходные механизмы регуляции действуют и у нас с вами.
— Какие методы при этом использовались?
— Работа была проведена с использованием классических методов молекулярной биологии и биохимии. Мы получили много вариантов РНК-полимеразы с различными мутациями, исследовали их активность на разных стадиях синтеза РНК. Основная часть работы посвящена тому, как РНК-полимераза узнает различные сигналы («дорожные знаки») в ходе своего движения по молекуле ДНК и как на это могут влиять взаимодействия с регуляторными белками бактерий и бактериофагов.
— Как выводы, приведенные в статье, помогут биологам?
— Цель наших исследований — понять универсальные механизмы регуляции активности генов, в данном случае на примере РНК-полимеразы бактерий. Надо сказать, что в настоящее время есть всего несколько примеров белков — регуляторов транскрипции, для которых известны молекулярные механизмы переключения активности РНК-полимеразы.
Описанный нами механизм отличается от известных примеров и расширяет наши представления о том, как регулируется активность одного из ключевых ферментов, участвующих в работе генома.
— Какие перспективы у направления, которому посвящена данная работа?
— Исследования механизмов регуляции транскрипции — одно из важнейших направлений современной биологии. В области бактериальной транскрипции подобные исследования помогут детально выяснить тонкие молекулярные механизмы работы РНК-полимеразы и принципы регуляции транскрипции на уровне целых геномов.
Не стоит забывать и о том, что РНК-полимераза — перспективная мишень для поиска новых антибиотиков, так что понимание механизмов ее работы необходимо для борьбы с инфекциями.
Данная проблема становится все более актуальной в последнее время в связи с быстрым ростом числа устойчивых к антибиотикам бактерий. Очень интересно узнать больше о механизмах регуляции работы РНК-полимеразы у высших организмов, и при этом не стоит забывать, что исследования на примере бактерий могут дать много нового для понимания базовых принципов генетической регуляции.
— Где проводились изыскания?
— Все эксперименты, вошедшие в эту публикацию, непосредственно выполнены в Институте молекулярной генетики Российской академии наук — в том же месте, что и первые исследования Р.Б. Хесина по регуляции активности генов бактериофагов.