Впервые в истории исследовательская группа под руководством Северо-Западного университета заглянула внутрь клетки человека, чтобы увидеть мультисубъединичную машину, отвечающую за регулирование экспрессии генов, пишет eurekalert.org со ссылкой на Science. Эта структура, называемая комплексом предварительной инициации, связанным с медиатором (Med-PIC), играет ключевую роль в определении того, какие гены активируются, а какие подавляются.

Медиатор помогает расположить остальную часть комплекса – РНК-полимеразу II и общие факторы транскрипции – в начале генов, которые клетка хочет транскрибировать. Исследователи визуализировали комплекс в высоком разрешении с помощью криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ), что позволило им лучше понять, как он работает. Поскольку этот комплекс играет роль во многих заболеваниях, включая рак, нейродегенеративные заболевания, ВИЧ и метаболические нарушения, новое понимание исследователями его структуры потенциально может быть использовано для лечения болезней.

«Эта машина является основной для каждой области современной молекулярной биологии в контексте экспрессии генов, – сказал Юань Хэ из Northwestern, старший автор исследования. – Визуализация структуры в 3D поможет нам ответить на основные биологические вопросы, например, как ДНК копируется в РНК».

«Видение этой структуры позволяет нам понять, как она работает, – добавил Райан Абделла, соавтор статьи. – Это как разобрать обычный бытовой прибор, чтобы увидеть, как все сочетается друг с другом. Теперь мы можем понять, как белки в комплексе объединяются, чтобы выполнять свои функции».

Знаменитый биохимик Роджер Корнберг обнаружил комплекс медиатора в дрожжах в 1990 году, за этот проект он получил Нобелевскую премию по химии 2006 года. Но медиатор состоит из 26 субъединиц (в сочетании с комплексом предварительной инициации 56 единиц), и до сих пор исследователям требовалось получить изображения человеческой версии с высоким разрешением.

«Это технически довольно сложный проект, – сказал он. – Этих комплексов мало. Чтобы получить небольшое количество белковых комплексов, требуются сотни литров очень трудно выращиваемых человеческих клеток».

Прорыв произошел, когда команда Хэ поместила образец на одинарный слой оксида графена. Предоставляя такую поддержку, лист графена сводил к минимуму количество образца, необходимого для визуализации. И по сравнению с типичной используемой подложкой – аморфным углеродом – графен улучшил отношение сигнал/шум для получения изображений с более высоким разрешением.

После подготовки образца команда использовала крио-ЭМ, относительно новый метод, получивший Нобелевскую премию по химии 2017 года, для определения трехмерной формы белков, которые часто в тысячи раз меньше ширины человеческого волоса. Этот метод заключается в том, что поток электронов направляется на замороженный образец для получения множества 2D-изображений.

Для этого исследования команда Хэ сделала сотни тысяч изображений комплекса Med-PIC. Затем они использовали вычислительные методы для восстановления трехмерного изображения.

«Решение этого комплекса было похоже на сборку головоломки, – сказала Талызина. – Некоторые из этих субъединиц уже были известны из других экспериментов, но мы понятия не имели, как части собираются вместе или взаимодействуют друг с другом. С нашей окончательной структурой мы наконец смогли увидеть весь этот комплекс и понять его организацию».

Полученное изображение показывает комплекс Med-PIC в виде плоской вытянутой структуры длиной 45 нанометров. Исследователи также были удивлены, обнаружив, что медиатор перемещается относительно остальной части комплекса, связываясь с РНК-полимеразой II в шарнирной точке.

«Медиатор движется как маятник, – сказал Абделла. – Затем мы хотим понять, что означает эта гибкость. Мы думаем, что она может повлиять на активность ключевого фермента в комплексе».