Клетки строят белки с помощью транспортной РНК — тРНК. Эти молекулы работают как курьеры: считывают генетические инструкции с матричной РНК (мРНК) и доставляют нужные аминокислоты к рибосомам, где и собираются белки. Но прежде чем тРНК начнет работать, ее нужно правильно «подстричь» — удалить лишние участки на концах.

Ученые из Университета Кюсю выяснили, как крошечный фермент HARP, который занимается обработкой тРНК, справляется с этой задачей. Оказалось, что 12 молекул HARP собираются в звездообразную структуру, которая может обрезать оба конца тРНК — и 5’, и 3’. Это открытие поможет в синтетической биологии, например, в создании искусственных ферментов для редактирования РНК.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Обычно за обрезку 5’-конца тРНК отвечает фермент RNase P. Он бывает двух типов: один состоит в основном из РНК, другой — только из белков. Первый изучен вдоль и поперек, а вот второй, более компактный, до сих пор оставался загадкой. HARP — это как раз его разновидность, встречающаяся у некоторых бактерий и архей. Он меньше своих «коллег», но зато образует изящную шестиконечную звезду. Почему так — было неясно.

Чтобы разобраться, ученые использовали криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ) и увидели, как HARP взаимодействует с незрелой тРНК. Оказалось, что 12 молекул фермента выстраиваются в круг, а между ними, как спицы в колесе, располагаются пять молекул тРНК. HARP работает как «молекулярная линейка»: измеряет расстояние от 5’-конца до „изгиба“ тРНК и точно определяет, где резать. Любопытно, что похожий механизм есть и у других RNase P — видимо, эволюция привела разные организмы к одному решению.

Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) — это метод, который позволяет увидеть структуру молекул с атомарной точностью. Образец быстро замораживают, чтобы он сохранил естественную форму, а затем просвечивают электронами под разными углами. Компьютер объединяет тысячи снимков в трехмерную модель.

Но самое интересное обнаружилось дальше. Оказалось, что HARP может обрезать не только 5’-конец, но и 3’-конец тРНК. Сначала он удаляет лишние нуклеотиды с одного конца, а потом, используя свободные активные центры, берется за второй.

Такой трюк позволяет организмам с компактным геномом делать больше с меньшим количеством инструментов, — объясняет профессор Какута.

Этот принцип — когда простая структура берет на себя несколько функций — может пригодиться в биотехнологиях. Например, для создания искусственных ферментов, которые будут редактировать РНК точнее и эффективнее.

Этот механизм — когда один фермент выполняет две функции благодаря своей структуре — открывает путь к созданию более простых и универсальных инструментов для синтетической биологии. Например, можно разработать искусственные ферменты, которые будут одновременно редактировать разные участки РНК, что ускорит производство синтетических белков или генную терапию. Также это может помочь в борьбе с бактериальными инфекциями, если научиться блокировать HARP у патогенных микроорганизмов.

Исследование не до конца объясняет, почему HARP связывает только пять молекул тРНК, а не все двенадцать. Возможно, это связано с энергетической выгодой или регуляцией процесса, но авторы не предлагают четкой модели. Кроме того, эксперименты проводились in vitro — как HARP ведет себя в живой клетке, пока неясно.

Ранее ученые сообщили, как транспортные РНК влияют на развитие рака.