یک ریبوسوئیچ چگونه سنتز خود را تنظیم می کند؟

برای جلوگیری از یک بحران جهانی بهداشت، دانشمندان در سراسر جهان به دنبال راه هایی برای مبارزه با باکتری هایی هستند که می توانند از زرادخانه فعلی آنتی بیوتیک ها فرار کنند.

یک هدف امیدوارکننده برای آنتی‌بیوتیک‌های جدید و بهبودیافته، ریبوسوئیچ‌ها، بخش‌های کوچکی از RNA هستند که فرآیند لازم برای تولید پروتئین‌ها توسط سلول باکتری را تنظیم می‌کنند. ریبوسوئیچ ها تقریباً منحصراً در باکتری ها یافت می شوند و می توانند با آنتی بیوتیک ها مورد هدف قرار گیرند تا حیوانات یا انسان ها تحت تأثیر قرار نگیرند. با درک کامل نحوه عملکرد ریبوسوئیچ ها، محققان ممکن است بتوانند داروهایی بسازند که دستگاه سلولی را که پروتئین های مورد نیاز را ایجاد می کند، مختل می کند.

اکنون، محققان دپارتمان شیمی دانشگاه میشیگان و موسسه علوم زیستی با استفاده از ترکیبی از بیوشیمی، زیست‌شناسی ساختاری و مدل‌سازی محاسباتی نشان داده‌اند که چگونه یک ریبوسوئیچ خاص سنتز خود را تنظیم می‌کند.

اولین مرحله برای تولید پروتئین از کد ژنتیکی رونویسی نامیده می شود. آنزیم RNA پلیمراز (یا RNAP) در طول DNA حرکت می کند و اطلاعات ژنتیکی موجود در DNA را در رشته ای از RNA کپی می کند. در طول این فرآیند، RNAP چندین “مکث” را متحمل می شود زیرا منتظر دستورالعمل های بعدی از سلول است. مکانیسم‌هایی برای این توقف و راه‌اندازی مجدد مدت‌هاست که برای دانشمندان گریزان مانده است، اما نوید تبدیل شدن به یک هدف عالی برای آنتی‌بیوتیک‌ها را می‌دهد.

این تیم به سرپرستی پروفسور شیمی نیلز والتر از طریق همکاری با آزمایشگاه‌های پروفسور ملانی اوهی و دانشمند سابق دانشگاه UM، آرون فرانک، از یک تکنیک زیست‌شناسی ساختاری به نام میکروسکوپ الکترونی سرمایشی تک ذره (cryo-EM) استفاده کردند تا برای اولین بار چگونگی این کار را تجسم کنند. تنظیم رونویسی رخ می دهد. نتایج آنها در منتشر شده است زیست شناسی ساختاری و مولکولی طبیعت.

آزمایشگاه والتر یک ریبوسوئیچ خاص را بررسی کرد که به مولکولی ساخته شده توسط سلول به نام preQ متصل می شود.₁. هنگامی که preQ₁ مولکول به ریبوسوئیچ متصل می شود و شکل RNA را تغییر می دهد، که سپس به RNAP اجازه می دهد یک بار دیگر در امتداد DNA ادامه دهد تا رونویسی ادامه یابد.

ریبوسوئیچ‌ها برای اولین بار در سال 2002 کشف شدند، اما نقش‌های خاص آنها در ارتباط با ماشین‌های رونویسی به خوبی شناخته نشده است. آدرین شوویر، دانشمند آزمایشگاه والتر و متخصص در سوئیچ‌های ریبو، می‌گوید که فهمیدن دلیل این امر دشوار نیست.

او گفت: «این یک موقعیت داوود در برابر جالوت است. “RNAP این جالوت غول پیکر است و سوئیچ ریبو دیوید است. به دلیل این تفاوت فاحش اندازه، تجسم مکان و چگونگی preQ₁ تنظیم مکث رونویسی برابر است با یافتن سوزن در انبار کاه.”

تحقیقات قبلی از آزمایشگاه والتر نشان داد که مکث رونویسی به عنوان تابعی از preQ روشن و خاموش می شود.₁ اتصال مولکولی به ریبوسوئیچ با حرکت رو به جلو، آزمایشگاه والتر با اوهی، کارشناس کریو-EM همکاری کرد تا آنچه را که اتفاق می‌افتد تجسم کند.

این کار نمونه ای عالی از قدرت انجام علم در دانشگاه میشیگان است. سه آزمایشگاه با تخصص های مختلف توانستند یک همکاری چند رشته ای را شکل دهند که منجر به یک کشف مهم و بدیع شد. این یافته‌ها بدون این هم‌افزایی، همراه با سرمایه‌گذاری‌هایی که دانشگاه برای تقویت زیست‌شناسی cryo-EM و RNA در UM در سال‌های اخیر انجام داده، امکان‌پذیر نبود.

ملانی اوهی، استاد زیست شناسی سلولی و تکاملی، دانشگاه میشیگان

Cryo-EM تک ذره می‌تواند با ساختن مدل‌های سه‌بعدی از میلیون‌ها تصویر دوبعدی ذرات منجمد شده در جهت‌های مختلف، ساختار مجتمع‌های پروتئینی بزرگ را تعیین کند، و ساختارهایی را آشکار کند که حاوی جزئیات مولکولی است که بینش‌های عملکردی را ارائه می‌دهد.

اطلاعات ساختاری منجمد ذره‌ای، یافته‌های قبلی آزمایشگاه والتر را تأیید کرد، اما همچنین تغییر خاصی را در شکل سوئیچ ریبو که قبلاً دیده نشده بود، نشان داد. هنگامی که preQ₁ مولکول متصل می‌شود، ریبوسوئیچ می‌پیچد تا با RNAP ارتباط برقرار کند تا رونویسی ادامه یابد.

این مشاهدات از طریق تلاش مشترک با فرانک، که در آن زمان استاد بیوفیزیک و شیمی در دانشگاه میشیگان و متخصص در مدل‌سازی محاسباتی RNA ها بود، بیشتر منطقی و تأیید شد. با در دست داشتن مدل‌های سه‌بعدی دقیق، تیم مشترک UM اکنون درک دقیق‌تری از نحوه تنظیم مکث رونویسی توسط این سوئیچ ریبوسوئیچ دارد.

والتر گفت: «اکنون ما کل فرآیند تنظیم ریبوسوئیچ را درک می‌کنیم و می‌توانیم از این دانش برای هدف قرار دادن این بخش‌های حیاتی حیات باکتریایی استفاده کنیم و امیدواریم از بحران آتی باکتری‌های مقاوم به چند دارو جلوگیری کنیم.»