Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что молекулы воды играют прямую и активную роль в транскрипции ДНК, опровергая давно устоявшееся представление о том, что экспрессия генов обеспечивается исключительно белками. Результаты работы, опубликованной 30 апреля в журнале Molecular Cell, показывают, что вода является эволюционно консервативным компонентом молекулярного аппарата, считывающего генетическую информацию во всех доменах жизни.

Скрытый уровень биологии

С помощью криоэлектронной микроскопии, способной разрешать структуры с точностью менее двух ангстрем — меньше ширины одного атома — исследовательская группа визуализировала внутренний механизм работы РНК-полимеразы II, фермента, ответственного за считывание ДНК и синтез РНК. Благодаря визуализации учёные смогли идентифицировать от нескольких сотен до более чем тысячи отдельных молекул воды, расположенных в ключевых функциональных участках фермента.

Эти молекулы воды образуют сложные сети, связывающие фермент, ДНК и поступающие строительные блоки РНК. Вместо того чтобы играть роль пассивных наблюдателей, молекулы воды активно участвуют в переносе протонов — ключевом химическом этапе при добавлении новых нуклеотидов к растущей цепи РНК. Они также помогают ферменту распознавать нужные молекулярные субстраты и стабилизируют его ключевые структурные элементы в процессе транскрипции.

Пересмотр белкоцентричного взгляда на транскрипцию

Исследование, проведённое под руководством Дун Вана, профессора Фармацевтической школы Скаггса Калифорнийского университета в Сан-Диего, и Пэйцзюнь Чжан, профессора Оксфордского университета, показало, что водные сети эволюционно консервативны — от бактерий до дрожжей, а возможно, и у людей. Сохранность этих структур на протяжении столь далёких ветвей эволюционного древа свидетельствует о том, что вода являлась неотъемлемой частью транскрипционного аппарата с самого его зарождения. Это ставит под сомнение традиционный «белкоцентричный» взгляд на экспрессию генов, который исследователи считают устаревшим.

Последствия для разработки лекарственных препаратов

Полученные результаты открывают принципиально новое понимание того, как считывается и реализуется генетическая информация, что может иметь важные последствия для молекулярной биологии, разработки лекарственных препаратов и изучения механизмов заболеваний. Статья, озаглавленная «Sub-2 Å Cryo-EM Structures of Transcribing RNA Polymerase II Reveal Critical Roles of Water Molecules in Catalysis», была подготовлена при участии исследователей из Оксфордского университета и Университета Висконсин-Мэдисон.