Cryo-EM oferă o privire în timp real asupra mecanismelor celulare care citesc ADN-ul în organisme vii
Toate organismele vii dispun de o flotă de mici mașini de copiat care transformă instrucțiunile din ADN în ARN, moleculele responsabile pentru construirea proteinelor esențiale pentru viață.
Una dintre aceste mașini la scară nanometrică, denumită ARN polimerază II eucariotică, joacă un rol crucial într-o etapă timpurie necesară aproape tuturor proceselor biologice. Aceasta realizează mesaje, copiază și transportă instrucțiunile din nucleul celular pentru a produce proteine.
Până de curând, cercetătorii au observat ARN polimeraza II doar în condiții controlate de laborator, fără a ține cont de realitățile haotice din interiorul celulei. Acum, o echipă condusă de cercetători de la Penn State a reușit să surprindă acest mecanism molecular în timp ce operează în organisme vii. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Communications.
„Aceasta este prima dată când vedem acest proces așa cum se întâmplă cu adevărat; modul în care acționează atunci când nimeni nu o observă”, a declarat Katsuhiko Murakami, profesor de biologie moleculară și director al Centrului Huck pentru Biologie Structurală de la Penn State și coautor corespunzător al studiului. „Anterior, a trebuit să folosim probe foarte purificate în condiții ideale de laborator pentru a vizualiza structurile lor, ceea ce nu reprezintă modul în care funcționează viața. Acum trebuie să ne schimbăm complet modul de gândire, deoarece ceea ce vedem nu este nimic din ce am mai văzut înainte.”
Folosind embrioni de muscă de fructe, echipa a dezvoltat o metodă de extragere a „complexelor de transcriere” intacte, grupurile de ARN polimerază II și ADN implicate în citirea și copierea genelor. Apoi, au utilizat microscopia electronică criogenică (cryo-EM), o tehnică de imagistică puternică care îngheață moleculele în loc și le vizualizează la detaliu aproape atomic, pentru a cartografia ceea ce au descoperit.
Imaginea care a rezultat a fost mult mai dinamică și surprinzătoare decât se așteptau, dezvăluind un proces de copiere denumit transcrierea genelor.
Murakami a explicat că proiectul a început în 2021, când David Gilmour i-a arătat ARN polimeraza II purificată extrasă dintr-un embrion de muscă de fructe. „Nu era curată, dar mi-a trezit o idee”, a spus el. „Am putea folosi cryo-EM pentru a analiza complexe de transcriere native din aceasta. După ani de muncă asiduă, acum am capturat aceste complexe într-o stare aproape naturală și ceea ce am descoperit a fost de fapt destul de surprinzător.”
Înainte de acest studiu, ARN polimeraza II se credea că este alcătuită din 12 subunități care se unesc pentru a forma o unitate completă, așa că majoritatea cercetătorilor presupuneau că toate arătau la fel în celule. Însă rezultatele echipei au arătat că acest lucru nu este întotdeauna adevărat. Unele dintre ele au toate cele 12 subunități, așa cum era de așteptat, dar altele lipsesc două subunități, având doar 10 subunități.
„Această variație nu era ceea ce oamenii credeau că se va întâmpla, așa că a fost o descoperire cu adevărat neașteptată”, a spus Murakami.
Descoperirea ar putea oferi indicii despre modul în care celulele gestionează echilibrul delicat între împachetarea strânsă a ADN-ului și accesibilitatea acestuia atunci când este necesar. Astfel de momente de tranziție sunt greu de observat în experimentele tradiționale, a spus el, ceea ce face ca apariția lor în studiul de imagistică cryo-EM al echipei să fie semnificativă.
„Din perspectiva științei de bază, abordarea folosită era destul de simplă”, a afirmat Jean-Paul Armache, profesor asistent de biochimie și biologie moleculară la Penn State și coautor al lucrării. „Cercetătorii încercau să surprindă o imagine clară a unui lucru, să studieze ceea ce vedeau și apoi să publice rezultatele. Acum, în loc să ne uităm doar la o versiune controlată, putem studia un amestec simultan și înțelege cum variază. Aceasta ne oferă o imagine mult mai completă, mai haotică și mai precisă a ceea ce se întâmplă. Nu vedem un singur proces curățat; vedem totul simultan – cum se desfășoară viața cu adevărat.”
Studiul face parte dintr-o schimbare mai amplă în biologia modernă, a spus Armache, cercetătorii îndreptându-se către observarea moleculelor așa cum există în celulele vii, în loc să se concentreze pe sisteme construite în laborator. O mai bună înțelegere a modului în care funcționează procesul de citire a genelor în condiții reale oferă un plan mai precis pentru funcționarea celulelor, având aplicații în domenii precum medicina, a spus el.
Abordarea echipei ar putea deschide ușa pentru studierea multor alte procese celulare complexe în mediile lor naturale, a afirmat Murakami. „Începem să folosim acest sistem mai pe larg, nu doar într-un singur tip de organism, ci și în altele, cum ar fi arheele, care fac parte din microbiota tuturor organismelor. Încercăm să înțelegem cum se comportă aceste molecule în condiții reale și în medii diferite, așa că aceasta este doar începutul a ceea ce vom putea observa.”
