Gondot okoz az esti filmválasztás? Mutatunk egy olyan videót, amely ablakot nyit az életünket fenntartó legalapvetőbb biológiai folyamatok egyikébe. A kutatók most először készítettek valós idejű molekuláris filmet, hogy megmutassák, hogyan lép egymással kölcsönhatásba két alapvető sejtfolyamat - a transzkripció és a transzláció - a baktériumokban.
Minden élő szervezetben a DNS tartalmazza a sejtek szerkezetét és funkcióit meghatározó kódot. Az RNS-polimeráz nevű enzim megfejti ezt a kódot, és átalakítja RNS-é, egy olyan molekulává, amely nagyon hasonlít a DNS-hez. Az élet kódjának ezt a DNS-ről RNS-re történő átvitelét nevezzük transzkripciónak. Ezután a riboszómának nevezett molekuláris gépezet az RNS-ben kódolt üzenetet használja fel a fehérjék - a sejtek legtöbb alapvető funkcióját ellátó molekulák - felépítésére. Ezt a folyamatot nevezzük transzlációnak.
A videó összefoglalja, egyelőre itt álluk annak megértésében, hogy a transzkripció és a transzláció fizikailag és funkcionálisan hogyan kapcsolódik egymáshoz. Többszínű egymolekulás fluoreszcens mikroszkópiával egyidejűleg követték nyomon a transzkripció és a transzláció elnyúlását, valamint az RNS-polimeráz és a riboszóma közötti kapcsolódást. Megfigyelhető volt, hogy az egyes riboszómák lelassulnak az RNS-polimerázzal való találkozáskor, és hogy hosszú távú fizikai csatolás révén aktiválják az RNS-polimerázt.
"A baktériumsejtekben a transzkripció és a transzláció ugyanabban a sejtterületben zajlik" - magyarázta Olivier Duss, az EMBL Heidelberg csoportvezetője és az új tanulmány vezető szerzője. "Az emberi sejtekben a transzkripció a sejtmagban lokalizálódik - ott, ahol a DNS tárolódik, és amelyet a sejt többi részétől membrán választ el. Az átírt RNS ezután a sejtmagon kívülre kerül, hogy fehérjékké "fordítsák", ami kizárólag a citoplazmában - a sejtmagot körülvevő sejtrészben - történik. A baktériumsejtek sejtfelépítése sokkal egyszerűbb, mivel nincs sejtmagjuk, így az átírás és a transzláció nemcsak ugyanazon a helyen, hanem egyidejűleg is történhet."
A tudósok korábban a transzkripciót és a transzlációt különálló folyamatokként jellemezték, de hogy a kettő hogyan lép kölcsönhatásba egymással, azt még nem értették jól. Ez részben azért volt így, mert az ilyen vizsgálatok olyan technikákra támaszkodtak, mint a krio-elektronmikroszkópia, amelyekhez fagyasztott mintákra van szükség, így csak pillanatképeket adnak a folyamatról.
Fejlett eszközök a molekuláris kölcsönhatások elcsípéséhez
Ez a probléma érdekelte a Duss-csoportot, amely az egymolekulás technológiákat, a strukturális biológiát és a biokémiát használta annak megértésére, hogy a létfontosságú sejtfunkciókban részt vevő nagy molekuláris mechanizmusok hogyan működnek együtt egymással.
Annak vizsgálatára, hogyan működik együtt a transzláció és a transzkripció, a kutatócsoport Nusrat Qureshi kutatótárs vezetésével mesterségesen újraalkotta azt a sejtkörnyezetet, amely e folyamatok lejátszódásához szükséges. Ez lehetővé tette számukra, hogy az egymásra ható riboszómák és RNS-polimerázok dinamikáját közelről nyomon kövessék, egyenként egy páronként, az úgynevezett egymolekulás, többszínű fluoreszcens mikroszkópia segítségével.
Egyszerűen fogalmazva, a technika úgy működik, hogy az RNS-polimerázt és a riboszómát kis kémiai anyagokkal jelölik meg, amelyek közelségérzékelőként (angolul PROXIMITY Sensor) működnek. Amikor a két molekula kölcsönhatásba lép, olyan jelet bocsátanak ki, amelyet a fluoreszcens mikroszkóp rögzíteni tud. Amikor a kölcsönhatás megszűnik, a jel eltűnik.
Ezt felhasználva a tudósok több percig rögzítették az RNS-polimeráz és a riboszóma közötti dinamikus kölcsönhatást. Először fordult elő, hogy mikroszkópon keresztül egyszerre figyelhették meg a transzkripciót és a transzlációt működés közben.
"Nagyon izgatott vagyok, hogy végre végignézhetjük a teljes folyamatot" - mondta Duss. "Ezeket a pillanatfelvételeket mozgáshoz tudjuk illeszteni, és ez lehetővé teszi számunkra, hogy jobban megértsük, hogyan működik együtt a két folyamat. Azáltal, hogy az egészet összerakjuk, elkezdünk olyan kialakuló viselkedéseket látni, melyeket másként nem lehet előre megjósolni."
A tudósok felfedezték, hogy az RNS-polimeráz és a riboszóma akár távolról is képes kommunikálni egymással, mégpedig úgy, hogy egy meglehetősen hosszú, hurokszerű RNS-szakasz köti össze őket.
Ebben a két molekuláris gépezet úgy viselkedik, mint egy hosszú kötéllel összekötött hegymászó pár. A kötél elég laza ahhoz, hogy ne ütközzenek egymással, de elég szoros ahhoz, hogy szükség esetén mindkét hegymászó segíthessen a másiknak.
A kutatócsoport azt is megfigyelte, hogy az átírás hatékonyabb, ha a transzláció egyidejűleg történik. Más szóval, ha egy aktív RNS-polimerázt ugyanazon az RNS-molekulán egy haladó riboszóma követ, akkor annak produktivitása nagyobb.
"Gyönyörű, hogy megfigyelhetjük, hogyan működnek együtt ezek a folyamatok. Bárki, aki csapatban dolgozik, tudja, milyen fontos az együttműködés" - mondta Duss. "Ha mindenki megpróbál csak egyedül dolgozni, sokkal kisebb lesz a hatékonysága. Úgy tűnik, ezt a sejt molekuláris mechanizmusai is tudják".
Következmények az antibiotikum-fejlesztéshez
Míg ez a tanulmány izolált molekulákra összpontosított egy mesterséges környezetben, a Duss-csoport most arra készül, hogy a folyamat megértését kiterjesszék élő sejtekre is. A nemrég elnyert ERC Consolidator Grant keretében további sejtfolyamatokat is be kívánnak vonni a vizsgálatba, hogy kiderüljön, a "hegymászó" koordinációban nem csak két partner vesz-e részt.
Az alapvető sejtmechanizmusok baktériumokban való működésének megvilágítása megnyitja az utat a bakteriális kórokozók elleni küzdelem új módszereinek kifejlesztése előtt egy olyan időszakban, amikor az antibiotikum-rezisztencia fontos egészségügyi probléma. A kutatók potenciálisan túlléphetnek a hagyományos antibiotikumokon, és megelőzhetik a rezisztenciaproblémákat azáltal, hogy nem csak egy, hanem két sejtszintű folyamatot céloznak meg együttesen.
"Ez a munka nagyszerű példája az alapkutatás jelentőségének szélesebb kontextusban" - mondta Duss. "Az alapkutatás az, ami segít megérteni a biológia működését, ami aztán olyan új felfedezésekbe torkollik, mint az új gyógyszerek, a korszerű kezelések és a jobb lehetőségek."
Az új tanulmány a Nature című folyóiratban jelent meg: Tracking transcription-translation coupling in real time
