Forscher nutzen hydrostatischen Druck, um die RNA-Dynamik zu verstehen

So wie der Weltraum unendlich viele Geheimnisse birgt, gibt es auch auf der Ebene der Biomoleküle (eine Billion Mal kleiner als ein Meter) noch so viel zu lernen.

Catherine Royer vom Rensselaer Polytechnic Institute widmet sich dem Verständnis der Konformationslandschaften von Biomolekülen und ihrer Modulation der Zellfunktion. Wenn Biomoleküle bestimmte Eingaben erhalten, kann dies dazu führen, dass sich die Atome neu anordnen und das Biomolekül seine Form ändert. Diese Formänderung beeinflusst ihre Funktion in Zellen, daher ist das Verständnis der Konformationsdynamik für die Arzneimittelentwicklung von entscheidender Bedeutung.

In einer kürzlich in der veröffentlichten Studie Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenRoyer und ihr Team untersuchten die Konformationsdynamik einer menschlichen Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA) unter hohem hydrostatischem Druck. Der hohe Druck führte zu einer erhöhten Population der tRNA-angeregten Zustände, die normalerweise in sehr geringen Mengen vorliegen, was neue Einblicke in die tRNA-Funktion ermöglichte.

„Wir sind an der Beobachtung der angeregten Zustände interessiert, weil sie zu Konformationen führen, die außerhalb derjenigen liegen, die durch Röntgenkristallographie, Kernspinresonanz (NMR) oder Elektronenmikroskopie bestimmt werden können“, sagte Royer. „Wir beginnen zu verstehen, dass es weitaus mehr biomolekulare Strukturen gibt als bisher angenommen, und für die Entwicklung von Therapeutika müssen wir verstehen, wie diese Zustände aussehen.“

Für diese Forschung verwendete Royer menschliche tRNA anstelle von Proteinen, die sie normalerweise untersucht. „An den angeregten Zuständen großer RNA-Moleküle wurde noch nicht viel gearbeitet, das macht diese Forschung einzigartig“, sagte Royer.

Royer und sein Team erfuhren, dass die angeregten Zustände nicht nur eine Rolle bei der normalen Funktion von tRNAs für die Proteintranslation aus der Boten-RNA spielen, sondern wahrscheinlich auch eine Rolle bei der HIV-Infektion. Jedes Jahr infizieren sich weltweit etwa 1,5 Millionen Menschen neu mit HIV.

„Die NMR zeigte, dass die Wasserstoffbrückenbindungen, die die tRNA zusammenhalten, in diesen angeregten Zuständen geschwächt sind“, sagte Royer. „Die Kleinwinkel-Röntgenstreuung bei hohem Druck, die wir bei CHESS durchgeführt haben, hat gezeigt, dass sich die Form der tRNA in diesen angeregten Zuständen verändert. Die Bereiche, die durch Druck verändert wurden, sind zufällig auch die Bereiche, die von HIV übernommen werden.“ während einer Infektion.“ CHESS, oder die Cornell High Energy Synchrotron Source, ist eine hochmoderne Synchrotronstrahlungsanlage und die einzige in den USA, die Messungen der Hochdruck-Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) an Biomolekülen ermöglicht.

Royer und ihr Team vermuten, dass die unter Druck beobachteten angeregten Zustandskonfigurationen der tRNA von der eindringenden viralen RNA ausgenutzt werden könnten, um die reverse Transkription von HIV auszulösen. Dieser Vorgang hängt mit der Infektiosität des Virus zusammen.

„Dr. Royers Forschung könnte zusammen mit ihrem Team unser Verständnis darüber verbessern, wie sich HIV ausbreitet“, sagte Deepak Vashishth, Direktor von CBIS. „Darüber hinaus existieren über 80 % der mikrobiellen Biomasse auf der Erde unter hohem Druck. Das Verständnis, wie biomolekulare Sequenzen an die Funktion in Hochdruckumgebungen angepasst werden, wird neue Ansätze für die Entwicklung stabilerer und aktiverer Biomoleküle für die Biotechnologie liefern.“

„Es ist eine aufregende Zeit für die Hochdruck-Strukturbiologie“, sagte Richard Gillilan von CHESS. „Die Menschen wissen seit einiger Zeit, dass Biomoleküle unter extremem Druck interessante Dinge bewirken, aber bis vor Kurzem standen Technologien wie Hochdruck-NMR und SAXS der allgemeinen Forschungsgemeinschaft einfach nicht zur Verfügung. Jetzt können wir beginnen zu sehen, welcher Druck entsteht.“ beschäftigt sich mit molekularen Details, und es besteht großes Interesse aus mehreren wissenschaftlichen Bereichen, einschließlich der Biomedizin.“

Royer wurde bei der Forschung von Jinqiu Wang, Tejaswi Koduru, Balasubramanian Harish, Scott A. McCallum, Karishma S. Patel, Edgar V. Peters und George Makhatadze von Rensselaer unterstützt; Kevin P. Larsen, Elisabetta V. Puglisi und Joseph D. Puglisi von der Stanford University; und Gillilan.