Все живые организмы хранят инструкции по сборке белков в своей ДНК, как в огромной библиотеке. Эти инструкции — генетический код, записанный с помощью четырех букв-нуклеотидов. Чтобы прочитать их и создать белок, клетка использует посредника — матричную РНК  (мРНК). А особый молекулярный курьер, транспортная РНК  (тРНК), расшифровывает код на мРНК и подносит к месту сборки, рибосоме, нужные аминокислоты. Но после создания тРНК не сразу готова к работе — она проходит сложный процесс «доработки», включая химические модификации, которые делают ее стабильной и эффективной.

тРНК (транспортная РНК) — это небольшая молекула рибонуклеиновой кислоты, которая выполняет критически важную роль переводчика при синтезе белка в клетке. Ее задача — «прочитать» триплетный код  (кодон) на матричной РНК  (мРНК), которая является прямой копией гена из ДНК, и доставить к месту сборки белка (рибосоме) строго определенную аминокислоту, соответствующую этому коду. Упрощенно, тРНК — это умный курьер, который с одной стороны знает „язык“ генетического кода, а с другой — прикрепляет к себе нужную „деталь“ (аминокислоту) для построения белковой молекулы.

Особенно интересны в этом плане археи — древние микроорганизмы, предки которых выживали в суровых условиях молодой Земли: в кипятке, в рассолах, без кислорода. Чтобы их тРНК не разрушалась от жары и давления, ее модификации должны были стать уникальными. В 2019 году научная группа, изучая архею Thermococcus kodakarensis  (любительницу экстремальной жары), расшифровала последовательность ее тРНК. Ученые обнаружили в ней редкую модификацию — 2'-O-метилцитидин (Сm) на шестой позиции. Но фермент, который ставит эту метку, оставался загадкой.

В новой работе, опубликованной в издании Nucleic Acids Research, исследователи применили сравнительную геномику: посмотрели на геномы родственных архей и нашли несколько генов-кандидатов. Самый перспективный из них — TK1257. Ученые синтезировали его белковый продукт, провели биохимический анализ и с помощью высокочувствительной масс-спектрометрии РНК доказали: да, это именно он создает ту самую модификацию Cm6. Исследователи открыли новый, неизвестный науке фермент — метилтрансферазу.

Дальнейший анализ его структуры показал удивительную вещь. Фермент под названием TrmTS состоит из двух ключевых частей:

• THUMP-домен — он отвечает за узнавание и связывание с хвостом тРНК.
• SPOUT-домен — это каталитический центр со сложной структурой в виде трилистника, который и проводит метилирование.

Такая архитектура — комбинация THUMP и SPOUT — раньше никогда не встречалась у ферментов, метилирующих тРНК. Это абсолютно новый игрок на поле.

TrmTS оказался необычным гурманом. Он метилирует рибозу у трех нуклеотидов:

• Аденозин (А)
• Цитидин (С)
• Уридин (U)

Но при этом он начисто игнорирует гуанозин (G). Такая избирательность — большая редкость.

Самое главное — ученые проверили, зачем вообще нужна эта модификация. Оказалось, что мутанты T. kodakarensis, у которых исследователи удалили ген trmTS, плохо росли при запредельной температуре в 93°C. Это прямое доказательство, что модификация Cm6 работает как термоустойчивый щит для тРНК, не давая ей разрушиться в жерле архейного «вулкана».

Исследование ломает привычную классификацию ферментов, модифицирующих тРНК. Открытие TrmTS проливает свет на то, как археи с помощью таких молекулярных уловок научились выживать в самых негостеприимных уголках планеты, и раскрывает новые границы эволюционного разнообразия жизни.

Польза этого исследования фундаментальна и лежит в нескольких плоскостях.

• Во-первых, это прорыв в чистом знании: ученые узнали новый механизм, с помощью которого жизнь адаптируется к экстремальным условиям. Это важно для астробиологии — если мы ищем жизнь на других планетах (например, в горячих океанах Энцелада), мы должны понимать, как могут выглядеть ее молекулярные машины.
• Во-вторых, ферменты архей, стабильные при высоких температурах, — это золотая жила для биотехнологий. TrmTS или его аналоги могут быть использованы в промышленных процессах, требующих протекания реакций при сильном нагреве.
• В-третьих, понимание тонких механизмов стабилизации РНК может помочь в разработке методов хранения РНК-вакцин или создании искусственных РНК-молекул с заданными свойствами для терапии.

Основное замечание касается функционального обоснования. Исследование убедительно показывает, что отсутствие гена trmTS и, как следствие, модификации Cm6 ухудшает рост при 93°C. Однако оно не демонстрирует напрямую, как именно эта модификация повышает стабильность тРНК. Является ли это усилением устойчивости к гидролизу (распаду) сахаро-фосфатного остова РНК, предотвращением неправильного свертывания молекулы или чем-то   иным? Для полной картины необходимы дополнительные биофизические исследования, например, измерение температуры плавления ( «разворачивания») модифицированной и немодифицированной тРНК, чтобы количественно оценить вклад Cm6 в термостабильность.

Ранее ученые объяснили, чем так важны археи.