Filmová hvězda RNA

V nebývalých detailech se podařilo vědcům vizualizovat, jak se velká molekula RNA sestavuje do funkčního stroje. Pomocí různých technik strukturní biologie natočili vědci z Marcia Group při EMBL Grenoble molekulární „film“, který ukazuje, jak se velká molekula RNA skládá a sestavuje. Zjištění odhalují, jak se RNA vyhýbají chybám při skládání a vyvíjejí se do komplexních buněčných strojů.

RNA je centrální biologická makromolekula, která se nyní široce využívá v medicíně a nanotechnologiích. Stejně jako proteiny, i funkce RNA často závisí na její přesné trojrozměrné struktuře. Nedávná studie publikovaná v Nature Communications skupinou Marcia poprvé zachytila ribozym v pohybu – téměř snímek po snímku. Vědci zaznamenali, jak se tento malý RNA stroj skládá, ohýbá a sestavuje, a odhalili jeho složitou choreografii v nebývalých detailech.

Pomocí integrativního přístupu strukturní biologie kombinujícího nejmodernější techniky – kryoelektronovou mikroskopii (cryoEM), rozptyl rentgenového záření v malých úhlech (SAXS), biochemii a enzymologii RNA, zpracování obrazu a molekulární simulace – vědci pozorovali sestavení „samosestřihajícího“ ribozymu – molekuly RNA, která dokáže „vyjmout a vložit“ svou vlastní sekvenci, v podstatě se tak sama upraví, aby se stala funkční. Zachytili dynamický proces „v zákulisí“, kterým se samosestřihající ribozym skládá do své funkční struktury. Výzkum vedl tým Marca Marcii, bývalého vedoucího skupiny EMBL a současného docenta a vedoucího skupiny SciLifeLab na Univerzitě v Uppsale ve Švédsku.

Tento průlom byl umožněn díky špičkovému vybavení a odborným službám v EMBL Grenoble, které umožnily integraci pokročilých metod strukturní biologie s biochemií RNA a enzymologií. Skupina Marcia také těžila z úzké spolupráce s Centrem pro strukturální systémovou biologii (CSSB) v Hamburku, kde byly vyvinuty inovativní přístupy ke zpracování obrazu kryo-EM přizpůsobené pro tento specifický projekt, a s Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), který poskytl vysoce kvalitní odborné znalosti v oblasti molekulárních simulací.

„Stanovení struktur RNA je náročný úkol – inherentní flexibilita a negativní náboj činí z RNA notoricky obtížný cíl pro strukturní studie,“ řekl Shekhar Jadhav, bývalý predoktorandský pracovník na EMBL Grenoble, nyní postdoktorand na Uppsalské univerzitě ve Švédsku. „Vytrvalé úsilí a rozsáhlý screening na elektronových mikroskopech nás nakonec dovedly k vizualizaci nepolapitelné dynamiky RNA.“

Výsledkem je dosud nejkompletnější „molekulární film“ molekuly RNA, která se sama buduje, a odhaluje, jak se vyhýbá biologickému ekvivalentu odštěpků: špatně složeným, nefunkčním stavům známým jako kinetické pasti.

Jak jedna doména řídí děj RNA

Srdcem této produkce je doména 1 (D1), centrální struktura ribozymu a, jak se ukázalo, i jeho ředitel. Tato doména funguje jako molekulární brána a vede ostatní domény (D2, D3, D4) k tomu, aby vstoupily přesně v pravý okamžik během procesu skládání.

Jemné pohyby v klíčových částech molekuly D1 vedou k otevření jedné z jejích sekcí a uvolnění místa pro další. Každá doména se zapojí do scény pouze tehdy, když je předchozí správně na svém místě, čímž vzniká plynulá sekvence molekulární choreografie, která zabraňuje strukturálním chybám a zajišťuje bezchybné finále: vznik struktury, která může katalyzovat chemickou reakci, nezbytnou pro funkci ribozymu.

Zachycení skrytých záběrů

Analýzou stovek tisíc jednotlivých molekul RNA tým rekonstruoval mezilehlé „záběry“, které byly ve statických krystalových strukturách neviditelné. Tyto prchavé snímky ukazují, jak RNA zkoumá alternativní pozice, než se usadí do své konečné formace. „Abychom tyto prchavé snímky zachytili, museli jsme vyvinout nové strategie kryo-EM zpracování obrazu,“ řekla Maya Topf, vedoucí skupiny v CSSB, profesorka na Univerzitní lékařské klinice Hamburg-Eppendorf a spolupracovnice na studii. „Toto je skvělý příklad toho, jak výpočetní inovace a vysoce kvalitní cryoEM data mohou odhalit skryté formace molekulárních strojů.“

Data ze SAXS (rozptylu rentgenového záření v malých úhlech) a simulace molekulární dynamiky nabídly doplňkový vhled do konformační plasticity a pomohly vědcům zdokonalit každý strukturní rámec a sestavit celý děj. Výzkumníci zjistili, že energie potřebná ribozymem k přechodu mezi různými tvary byla velmi malá, což nejen umožňuje RNA plynulý přechod z jedné formy do druhé v reálném životě, ale také usnadňuje počítačům přesnou simulaci těchto přirozených přechodů, aniž by se molekula zasekla v nerealistických pozicích.

„Jednou z hlavních silných stránek této práce je synergie mezi těmito špičkovými novými strukturními daty o RNA a našimi pokročilými molekulárními simulacemi tohoto náročného systému,“ řekl Marco De Vivo, vedoucí laboratoře molekulárního modelování a objevování léčiv a zástupce ředitele pro výpočty v Institutu Italiano di Technologia v Janově a jeden ze spolupracovníků na této studii. „Tento kombinovaný přístup objasnil na bezprecedentní atomistické úrovni detailů dynamiku, která řídí celou sestavu molekuly RNA, což nyní otevírá nové cesty v úsilí o objevování léčiv založených na RNA.“

Introny skupiny II, ribozymy uvedené v tomto molekulárním filmu, jsou považovány za předky spliceosomu, komplexního mechanismu, který edituje RNA v lidských buňkách.

Odhalením, jak se tyto molekuly efektivně skládají a vyhýbají se kinetickým pastím, poskytuje studie nový vhled do toho, jak si raný život založený na RNA mohl vyvinout své nástroje pro editaci RNA.

Tato práce také připravuje půdu pro návrh a inženýrství RNA – vede k tomu, jak by budoucí biotechnologie mohly skriptovat molekuly RNA tak, aby se správně skládaly pro použití v terapeutice nebo nanobiotechnologiích.

Otevírání dveří k RNA AI

Podrobné datové sady a molekulární mechanismy odhalené v této studii nabízejí cenný referenční bod pro trénování a testování modelů AI. Očekává se, že tato práce bude hrát klíčovou roli při formování přístupů umělé inteligence k predikci struktury RNA.

Tato konvergence experimentální přesnosti a strojového učení představuje novou fázi pro strukturní biologii RNA, kde se AI a cryoEM a doplňkové experimentální přístupy mohou navzájem učit předpovídat, vizualizovat a chápat dynamiku nejvšestrannější molekuly života.

Zde - link – najdete GIF file zmíněného ‘molekulárního filmu.

Zdroj: Nature Communications, DOI : 10.1038/s41467-025-65502-8
Title : Dynamic assembly of a large multidomain ribozyme visualized by cryo-electron microscopy