RNA in Aktion: Filmaufnahmen von der Selbstorganisation eines Ribozyms
Forscher haben in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit sichtbar gemacht, wie sich ein großes RNA-Molekül zu einer funktionierenden Maschine zusammensetzt
Anzeigen
RNA ist ein zentrales biologisches Molekül, das heute in Medizin und Nanotechnologie in großem Umfang genutzt wird. Wie bei Proteinen ergibt sich die Funktion der RNA häufig aus ihrer dreidimensionalen Struktur. In einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Studie wurde zum ersten Mal ein Ribozym in Bewegung festgehalten - fast Bild für Bild. Die Forscher zeichneten auf, wie sich diese winzige RNA-Maschine faltet, biegt und zusammensetzt, und enthüllten ihre komplizierte Choreographie in noch nie dagewesenem Detail.
Mit Hilfe modernster Techniken - Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS), RNA-Biochemie und -Enzymologie, Bildverarbeitung und molekulare Simulationen - beobachteten die Wissenschaftler den Zusammenbau eines selbstspleißenden Ribozyms - eines RNA-Moleküls, das seine eigene Sequenz "ausschneiden und einfügen" kann und sich im Wesentlichen selbst bearbeitet, um funktionsfähig zu werden. Sie erfassten den dynamischen Prozess hinter den Kulissen, durch den sich das selbstspaltende Ribozym zu seiner funktionellen Struktur faltet. Die Forschungsarbeiten wurden vom Team von Marco Marcia geleitet, dem ehemaligen EMBL-Gruppenleiter und derzeitigen außerordentlichen Professor und Leiter der SciLifeLab-Gruppe an der Universität Uppsala, Schweden.
Ermöglicht wurde dieser Durchbruch durch die hochmodernen Einrichtungen und Expertendienste des EMBL Grenoble, die die Integration fortschrittlicher strukturbiologischer Methoden mit RNA-Biochemie und Enzymologie ermöglichten. Die Marcia-Gruppe profitierte auch von der engen Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Strukturelle Systembiologie (CSSB) in Hamburg, wo innovative, auf dieses Projekt zugeschnittene Kryo-EM-Bildverarbeitungsansätze entwickelt wurden, sowie mit dem Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), das hochqualifiziertes Fachwissen im Bereich der Molekularsimulation bereitstellte.
"Die Bestimmung von RNA-Strukturen ist eine schwierige Aufgabe - die inhärente Flexibilität und die negative Ladung machen RNA zu einem notorisch schwierigen Ziel für Strukturstudien", sagt Shekhar Jadhav, ehemaliger Predoctoral Fellow am EMBL Grenoble und jetzt Postdoc an der Universität Uppsala, Schweden. "Beharrliche Bemühungen und umfangreiche Untersuchungen am Elektronenmikroskop haben uns schließlich dazu gebracht, die schwer fassbare RNA-Dynamik sichtbar zu machen."
Das Bild zeigt Kryo-EM-Dichtekarten für die beiden extremen Konformationszustände, die das Gruppe-II-Intron während der Faltung durch eine kontinuierliche dynamische Bewegung seiner strukturierten Helix-Motive einnimmt.
Shekhar Jadhav/EMBL
Wie eine Domäne die RNA-Geschichte orchestriert
Das Herzstück dieser Produktion ist Domäne 1 (D1), das zentrale Gerüst des Ribozyms und, wie sich herausstellte, sein Regisseur. Diese Domäne fungiert als molekulares Tor, das die anderen Domänen (D2, D3, D4) dazu veranlasst, genau zum richtigen Zeitpunkt während des Faltungsprozesses einzutreten.
Subtile Bewegungen in Schlüsselbereichen des D1-Moleküls veranlassen einen seiner Abschnitte, sich zu öffnen und Platz für den nächsten zu machen. So entsteht eine nahtlose Abfolge molekularer Choreografie, die strukturelle Fehler verhindert und für ein makelloses Finale sorgt: die Bildung einer Struktur, die eine chemische Reaktion katalysieren kann, die für die Funktion des Ribozyms unerlässlich ist.
Erfassen der versteckten Aufnahmen
Durch die Analyse Hunderttausender einzelner RNA-Partikel konnte das Team Zwischenschritte rekonstruieren, die in statischen Kristallstrukturen nicht sichtbar waren. Diese flüchtigen Bilder zeigen, wie die RNA alternative Stellungen erkundet, bevor sie sich in ihrer endgültigen Konformation festsetzt.
Dynamische Darstellung der Dichtekarten für die beiden extremen Konformationszustände, die das Intron der Gruppe II während der Faltung durch eine kontinuierliche dynamische Bewegung seiner strukturierten Helixmotive einnimmt. Shekhar Jadhav/EMBL
"Um diese flüchtigen Bilder zu erfassen, mussten wir neuartige Kryo-EM-Bildverarbeitungsstrategien entwickeln", sagt Maya Topf , Gruppenleiterin am CSSB, Professorin am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf und Mitarbeiterin an der Studie. "Dies ist ein großartiges Beispiel dafür, wie computergestützte Innovationen und qualitativ hochwertige Kryo-EM-Daten die verborgenen Konformationen von molekularen Maschinen aufdecken können."
SAXS-Daten und Molekulardynamiksimulationen halfen den Wissenschaftlern, die einzelnen Bilder zu verfeinern und die Geschichte zusammenzustellen.
"Eine der größten Stärken dieser Arbeit ist die Synergie zwischen diesen bahnbrechenden neuen Strukturdaten über RNA und unseren fortschrittlichen molekularen Simulationen dieses anspruchsvollen Systems", sagte Marco De Vivo , Leiter des Molecular Modeling and Drug Discovery Lab und Associate Director for Computation des Institu Italiano di Technologia in Genua und einer der Mitwirkenden an dieser Studie. "Dieser kombinierte Ansatz hat die Dynamik, die den gesamten Aufbau dieses RNA-Moleküls antreibt, auf einer noch nie dagewesenen atomistischen Detailebene geklärt, was nun neue Wege für die Entdeckung von Medikamenten eröffnet, die auf RNA abzielen."
Von alten Schriften zu modernen Abspaltungen
Introns der Gruppe II, die Ribozyme in diesem Molekularfilm, sind vermutlich die Vorläufer des Spleißosoms, der komplexen Maschinerie, die die RNA in menschlichen Zellen bearbeitet. Die Studie zeigt, wie sich diese Moleküle effizient falten und kinetische Fallen vermeiden, und liefert damit neue Erkenntnisse darüber, wie das Leben auf der Basis von RNA seine Editierwerkzeuge entwickelt haben könnte. Über die evolutionären Überlieferungen hinaus schafft diese Arbeit auch die Voraussetzungen für RNA-Design und -Technik - sie gibt Hinweise darauf, wie künftige Biotechnologien RNA-Moleküle für den Einsatz in Therapeutika oder in der Nanobiotechnologie richtig falten könnten.
Die Tür zur RNA-KI öffnen
Die detaillierten Datensätze und molekularen Mechanismen, die in dieser Studie aufgedeckt wurden, bieten einen wertvollen Maßstab für das Training und Testen von KI-Modellen. Einige der hier aufgelösten RNA-Strukturen wurden bereits in internationalen CASP-Wettbewerben verwendet - dieselbe Vorhersageherausforderung, aus der AlphaFold hervorging - wie kürzlich in der Zeitschrift Proteins beschrieben.
"Es wird erwartet, dass diese Arbeit eine Schlüsselrolle bei der Gestaltung von Ansätzen der künstlichen Intelligenz zur Vorhersage von RNA-Strukturen spielen und den Weg zu einem neuen 'AlphaFold für RNA' ebnen wird", sagte Marcia.
Diese Konvergenz von experimenteller Präzision und maschinellem Lernen markiert eine neue Phase für die RNA-Strukturbiologie, in der KI und Kryo-EM voneinander lernen können, um die Dynamik des vielseitigsten Moleküls des Lebens vorherzusagen, zu visualisieren und zu verstehen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
