Сквозь дымку экрана сонограммы будущая мама мельком видит растущего внутри нее ребенка. Контур носа, подбородка и головы, мгновенно узнаваемый как крошечный человечек, воплощает в жизнь то, что родители до этого могли только представить. Биологи тоже стремятся воплотить свои научные открытия в жизнь, создавая трехмерные модели – на атомном уровне – внутренней работы клеток.
"Нам нужны трехмерные изображения молекулярных структур с атомным разрешением по многим причинам. Например, эти изображения могут точно показать нам, как взаимодействующие молекулы связываются друг с другом, чтобы выполнять критические клеточные функции. Это помогает нам разрабатывать терапевтические препараты, которые контролируют взаимодействия и, следовательно, биохимические процессы, которые они осуществляют в клетках," говорит Дэвид Заппулла, доктор философии.D., научный сотрудник отдела молекулярной биологии и генетики Медицинской школы Университета Джона Хопкинса.
Исследования Заппуллы сосредоточены на обнаруженном в клетках ферменте под названием теломераза, который удлиняет повторяющиеся фрагменты ДНК на концах хромосом. Эти концевые заглушки, называемые теломерами, разрушаются каждый раз, когда клетка делится, и без этих защитных кончиков эта эрозия отщепит хромосомы, включая важную генетическую информацию, и убьет клетку.
Теломераза присутствует в клетках плода, чтобы не допустить чрезмерного обрезания ДНК, поскольку клетки быстро размножаются на раннем этапе развития, но затем фермент отключается, и теломеры со временем разрушаются, как часть естественного процесса старения клеток. Хорошо известно, что у пожилых людей теломеры короче, чем у молодых.
С другой стороны, раковые клетки захватывают теломеразу и повторно экспрессируют ее, чтобы поддерживать длину теломер, делая их невосприимчивыми к смерти, связанной со старением. Чтобы убить раковые клетки, ученые давно искали лекарства, которые нацелены на способность теломеразы сохранять клетки живыми.
Но для разработки таких лекарств ученым нужно лучше понимать, как теломераза попадает на концы хромосом и удлиняет их.
В экспериментах по изучению теломеразы в пекарских дрожжах его лаборатория показала, что белок Ku помогает теломеразе распознавать короткие теломеры. Они показали, что Ku связывается с другим белком, Sir4, и эта связь важна для удлинения теломер. Он считает, что Sir4 действует как посадочная площадка для привлечения теломеразы преимущественно к коротким кончикам хромосом, которые нуждаются в расширении.
Чтобы визуализировать эти концепции в 3-D, Zappulla объединился с Ming Lei, Ph.D., эксперт по созданию кристаллических структур в Шанхайском университете Цзяо Тонг. Они познакомились во время обучения в докторантуре в Университете Колорадо в Боулдере.
Что касается текущего исследования, опубликованного янв. 11 в Cell, команда Лея кристаллизовала из пекарских дрожжей версии ключевых белков, привлекающих теломеразу, а также часть РНК фермента теломеразы. Затем они пропустили рентгеновские лучи через кристаллы и вывели трехмерную форму каждой молекулы на основе того, как перенаправляются пути рентгеновских лучей. Затем несколько коллег объединились для проверки структур путем внесения мутаций в гены, кодирующие белки, и тестирования функций измененных молекул в живых дрожжевых клетках. Эти эксперименты привели к новому пониманию того, как белки, рекрутирующие теломеразу, работают и взаимодействуют во времени и пространстве.
"Удивительно, как много точных деталей можно получить с помощью кристаллографических исследований," говорит Заппулла.
Когда Заппулла впервые увидел результаты, он говорит, что они сразу же ответили на один из его вопросов о том, как теломераза взаимодействует с Ku и Sir4, чтобы прикрепиться к концу хромосомы. "Кристаллические структуры показывают, как Ku связывается как с РНК в теломеразе, так и с белком Sir4 на хромосомах, как мы предложили в нашем исследовании 2015 года."
Заппулла говорит, что теломераза дрожжей и то, как она работает, определенно будут отличаться от человеческой версии; тем не менее, данные о дрожжах должны помочь ученым понять фундаментальные молекулярные и клеточные особенности, которые схожи или даже сохранялись в процессе эволюции.