Бактерии используют множество различных стратегий для регуляции экспрессии генов в ответ на изменчивые, часто стрессовые условия окружающей среды. Один тип регуляции включает некодирующие молекулы РНК, называемые малыми РНК (СРНК), которые встречаются во всех областях жизни. Новое исследование, проведенное учеными из Иллинойского университета, впервые описывает влияние взаимодействий сРНК в отдельных бактериальных клетках. Их результаты опубликованы в журнале Nature Communications, а статья выбрана в качестве основной статьи редакции.

Бактериальные СРНК часто участвуют в регуляции стрессовых реакций с помощью механизмов, которые включают взаимодействие спаривания оснований с целевой мРНК и повышение или подавление ее стабильности или количества белка, производимого из мРНК. Hfq, гексамерный белок-шаперон РНК, облегчает связывание между РНК и способствует стабильности сРНК. Хотя кинетика взаимодействий сРНК-мРНК была изучена in vitro, мутационные воздействия на взаимодействия спаривания оснований in vivo остаются в значительной степени неизвестными.

"Мы хотели понять, как индивидуальные взаимодействия пар оснований между малой РНК и одной из ее мРНК-мишеней влияют на общий регуляторный результат и, следовательно, на количество белка, вырабатываемого из мРНК в этих условиях",-сказала профессор микробиологии Иллинойса Кари Вандерпул, также член факультета Института геномной биологии Карла Р. "Мы использовали подход, который позволил нам визуализировать и подсчитывать отдельные небольшие молекулы РНК и мРНК внутри бактериальных клеток, давая нам представление о том, что происходит на молекулярном уровне."

Исследовательская группа сотрудничала с профессором биофизики Тхэкджипом Ха (Университет Джона Хопкинса) и иллинойским профессором химии и факультета IGB Заидой Лютей-Шультен. Исследователи использовали математическое моделирование и количественную визуализацию сверхразрешения для изучения последствий изменения индивидуальных взаимодействий пар оснований на кинетические параметры регуляции, такие как время, необходимое сРНК для поиска мишени мРНК.

Исследование было сосредоточено на сРНК SgrS, которая вырабатывается в бактериальных клетках, когда транспорт сахара превышает то, что клетка может обрабатывать через метаболизм. Предыдущая работа группы Вандерпула показала, что в условиях сахарного стресса SgrS связывается со своей первичной целевой мРНК, ptsG, которая кодирует часть механизма транспорта глюкозы. Вместе с Hfq SgrS ингибирует трансляцию ptsG и тем самым предотвращает выработку новых транспортеров глюкозы, замедляющих транспорт до тех пор, пока метаболизм не сможет догнать его.

Чтобы определить ключевые области СГР, важные для регуляции птсГ, исследователи использовали высокопроизводительное секвенирование для параллельного анализа тысяч мутантов и поиска тех, которые оказывают наиболее сильное влияние на регуляторные взаимодействия.

"Мы обнаружили, что индивидуальные взаимодействия пар оснований оказывают некоторое влияние на регуляцию, но они были относительно незначительными эффектами", - сказал Вандерпул. "Гораздо больший эффект мы увидели, когда увидели мутации в сРНК, которые нарушили ее способность взаимодействовать с Hfq. Если сРНК не могла эффективно связываться с компаньоном, то она гораздо медленнее находила свою мРНК-мишень и, найдя ее, освобождалась гораздо быстрее."

"Наша высокопроизводительная платформа секвенирования и количественной визуализации сверхразрешения смогла измерить скромные различия в скорости ассоциации и диссоциации, возникающие из-за несоответствия одной пары оснований между SgrS и мРНК ptsG",-сказал Ануступ Поддар, постдокторский исследователь и первый автор статьи. "Тот факт, что эти значения намного меньше, чем термодинамически предсказанные значения, говорит нам о том, что есть гораздо больше, чтобы узнать о роли белков-шаперонов в поиске мишеней, опосредованных спариванием оснований."

Даже при нарушенном спаривании оснований SgrS-регуляция ptsG все еще наблюдалась, пока Hfq был рядом. Это исследование ясно продемонстрировало важную роль Hfq в продвижении и стабилизации взаимодействий между SgrS и ptsG. Эти результаты были удивительными, поскольку считалось, что самые большие последствия происходят от нарушения взаимодействия спаривания оснований, сказал Вандерпул.

"Я узнал другой способ мышления от сотрудников и понял, насколько важным и мощным может быть математическое моделирование", - сказал Мухаммад Азам, бывший аспирант, работавший над исследованием.

Группа Вандерпула постоянно сотрудничает с профессором биохимии и молекулярной биологии Цзинъэем Фэем (Чикагский университет) в исследовании кинетических параметров других мишеней СГР с общей целью понимания иерархии регуляции.

"У нас были вопросы, которые мы хотели задать, но не было методов высокого разрешения, чтобы взглянуть на это количественно",-сказал Вандерпул. "Лучший вид сотрудничества-это когда каждый человек привносит свой опыт и различные подходы к решению проблемы, что делает результат захватывающим и увлекательным."

ИСТОЧНИК