בתוך תא, ה-DNA נושא את הקוד הגנטי לבניית חלבונים.
כדי לבנות חלבונים, התא מייצר עותק של DNA, הנקרא mRNA. לאחר מכן, מולקולה אחרת הנקראת ריבוזום קוראת את ה-mRNA ומתרגמת אותו לחלבון. אבל הצעד הזה היה תעלומה ויזואלית: מדענים בעבר לא ידעו כיצד הריבוזום מתחבר ל-mRNA וקורא אותו.
כעת, צוות של מדענים בינלאומיים, כולל חוקרים מאוניברסיטת מישיגן, השתמשו במיקרוסקופיה מתקדמת כדי לדמיין כיצד הריבוזומים מתגייסים ל-mRNA בזמן שהוא עובר שעתוק על ידי אנזים הנקרא RNA פולימראז, או RNAP. התוצאות שלהם, שבוחנות את התהליך בחיידקים, מתפרסמות בכתב העת Science.
"ההבנה כיצד הריבוזום לוכד או 'מגייס' את ה-mRNA היא תנאי מוקדם לכל מה שבא לאחר מכן, כמו הבנה כיצד הוא יכול אפילו להתחיל לפרש את המידע המקודד ב-mRNA", אמר אלברט ויקסלבאומר, חוקר מ-Institut de génétique et. de biologie moléculaire et cellulaire בצרפת שהיה שותף להובלת המחקר. "זה כמו ספר. המשימה שלך היא לקרוא ולפרש ספר, אבל אתה לא יודע מאיפה להשיג את הספר. איך הספר מועבר לקורא?"
החוקרים גילו שה-RNAP שמעתיק את ה-mRNA פורס שני עוגנים שונים לחבל בריבוזום ומבטיח בסיס מוצק והתחלה של סינתזת חלבון. הדבר דומה למנהל עבודה באתר בנייה המפקח על עובדים המתקינים קטע מורכב של המבנה העלי, ומאשר בשתי דרכים מיותרות שכל החלקים מהודקים בצורה מאובטחת בצמתים קריטיים ליציבות ופונקציונליות מירבית.
הבנת התהליכים הבסיסיים הללו טומנת בחובה פוטנציאל גדול לפיתוח אנטיביוטיקה חדשה המכוונת למסלולים הספציפיים הללו בסינתזת חלבון חיידקי, לדברי החוקרים. באופן מסורתי, אנטיביוטיקה מכוונת לריבוזום או ל-RNAP, אך לעתים קרובות חיידקים מוצאים דרך להתפתח ולעבור מוטציה כדי ליצור עמידות מסוימת לאותם אנטיביוטיקה. חמושים בידע החדש שלהם, הצוות מקווה להערים על חיידקים על ידי ניתוק מסלולים מרובים.
אנו יודעים שיש אינטראקציה בין ה-RNAP, הריבוזום, גורמי שעתוק, חלבונים ו-mRNA. נוכל למקד את הממשק הזה, במיוחד בין ה-RNAP, הריבוזום וה-mRNA, עם תרכובת שמפריעה לגיוס או ליציבות הקומפלקס".
אדריאן שובייה, מדען בכיר ב-UM, אחד מארבעה ממנהיגי המחקר
הצוות פיתח מסגרת מכניסטית כדי להראות כיצד המרכיבים השונים של הקומפלקס פועלים יחד כדי להביא רכיבי mRNA טריים לריבוזום ולשמש כגשרים בין שעתוק לתרגום.
"רצינו לברר כיצד נוצר הצימוד של RNAP והריבוזום מלכתחילה", אמר ויקסלבאומר. "באמצעות רכיבים מטוהרים, הרכבנו מחדש את הקוטר המורכב של 10 מיליארד המטר. ראינו אותם בפעולה באמצעות מיקרוסקופ קריו-אלקטרון (cryo-EM) ופרשנו מה הם עושים. לאחר מכן היינו צריכים לראות אם ההתנהגות מהרכיבים המטוהרים שלנו ניתן לשחזר במערכות ניסוי שונות."
בתאים אנושיים מורכבים יותר, ה-DNA שוכן בגרעין המוקף חומה, שם RNAP משמש כ"מתורגמן", ומפרק הוראות גנטיות לנשיכות קטנות יותר. דינמו זה של אנזים מתמלל, או כותב, את ה-DNA ל-mRNA, המייצג עותק נבחר במיוחד של חלק קטן מהקוד הגנטי שמועבר לריבוזום בציטופלזמה ה"מרווחת" הרבה יותר, שם הוא מתורגם לחלבונים, אבני הבניין הבסיסיות של החיים.
בפרוקריוטים, שחסרים להם גרעין מובהק ו"קיר" פנימי, שעתוק ותרגום מתרחשים בו זמנית ובסמיכות זה לזה, מה שמאפשר ל-RNAP ולריבוזום לתאם ישירות את תפקידיהם ולשתף פעולה זה עם זה.
חיידקים הם הפרוקריוטים המובנים ביותר, ובגלל המבנה הגנטי הפשוט שלהם, סיפקו לצוות את המארח האידיאלי לנתח את המנגנונים והמנגנונים המעורבים בצימוד הריבוזום-RNAP במהלך ביטוי גנים.
החוקרים השתמשו בטכנולוגיות ומתודולוגיות שונות לפי המומחיות של כל מעבדה-;cryo-EM בקבוצה של Weixlbaumer, וספקטרומטריית מסה צולבת בתוך התא של קבוצת ברלין שבוצעה על ידי Andrea Graziadei -; לבחון את התהליכים המעורבים.
עם מומחיות בביופיזיקה, Chauvier ונילס וולטר, פרופסור לכימיה, ביו-פיזיקה ב-UM, השתמשו במיקרוסקופים המתקדמים שלהם מולקולות פלואורסצנטיות כדי לנתח את הקינטיקה של המבנה.
"כדי לעקוב אחר המהירות של המנגנון הזה בעבודה, תייגנו כל אחד משני הרכיבים בצבע אחר", אמר Chauvier. "השתמשנו בצבע פלואורסצנטי אחד עבור ה-RNA המתהווה, ועוד אחד עבור הריבוזום. זה איפשר לנו לראות את הקינטיקה שלהם בנפרד תחת המיקרוסקופ בעל העוצמה הגבוהה".
הם הבחינו שה-mRNA שיוצא מ-RNAP נקשר לתת-היחידה הריבוזומלית הקטנה (30S) ביעילות במיוחד כאשר חלבון ריבוזומלי bS1 היה נוכח, מה שעוזר ל-mRNA להתפתח כהכנה לתרגום בתוך הריבוזום.
מבני ה-cryo-EM של Webster ו-Weixlbaumer סימנו מסלול חלופי של מסירת mRNA לריבוזום, באמצעות קשירה של RNA פולימראז על ידי גורם שעתוק הצימוד NusG, או הפרלוג שלו, או הגרסה שלו, RfaH, אשר משחילים את ה-mRNA לתוך כניסת ה-mRNA. תעלה של הריבוזום מהצד השני של bS1.
לאחר שהצליח לדמיין את השלב הראשון בביסוס הצימוד בין RNAP לריבוזום, הצוות מצפה לשיתוף פעולה נוסף כדי לגלות כיצד המתחם צריך להתארגן מחדש כדי להפוך לתפקוד מלא.
"עבודה זו מדגימה את כוחו של מחקר בין-תחומי המתבצע על פני יבשות ואוקיינוסים", אמר וולטר.
הומא רהיל, דוקטורנט במעבדת ויקסלבאומר, ומייקל וובסטר, אז פוסט-דוקטורט במעבדה וכיום של מרכז ג'ון אינס בבריטניה, הובילו יחד גם את המאמר.
