Mechanizmy degradacji RNA w mitochondriach

Mitochondria to struktury w żywej komórce, które są odpowiedzialne za wiele kluczowych procesów, w tym za dostarczanie niezbędnej do życia komórki energii. U ludzi defekty mitochondriów prowadzą do bardzo poważnych chorób, często o podłożu neurologicznym. Unikalną cechą mitochondriów jest to, że posiadają swój własny materiał genetyczny (kwas deoksyrybonukleinowy – DNA) oraz maszynerię do jego odczytywania. Pierwszym etapem tego odczytywania jest przepisywanie DNA do kwasu rybonukleinowego – RNA. RNA jest następnie odczytywane w procesie produkcji białek. Zapewnienie odpowiedniej ilości białek jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania mitochondriów. Głównym sposobem ustalania tej ilości jest regulowanie poziomu RNA, które koduje białka. W mitochondriach dzieje się to przede wszystkim przez proces rozkładania (degradacji) RNA. Dlatego degradacja ta odgrywa tak ważną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu mitochondriów.

Komputerowa wizualizacja atomowej struktury przestrzennej degradosomu z mitochondriów drożdży. Helikaza jest pokazana na pomarańczowo, nukleaza – na niebiesko, a nić RNA – na czerwono. Fragment nie zaobserwowany bezpośrednio w strukturach oznaczono linią przerywaną. Kierunek przesuwania RNA pokazuje strzałka, a miejsce, gdzie odcinane są nukleotydy z końca RNA – turkusowe koło. Autor: Marcin Nowotny.
Celem naszego projektu było uzyskanie jak najbardziej kompletnego obrazu mechanizmów degradacji RNA w mitochondriach. Chcieliśmy je poznać zarówno na poziomie bardziej ogólnym, w kontekście całych mitochondriów, jak i bardzo szczegółowym – na poziomie poszczególnych atomów, które wchodzą w skład zaangażowanych w ten proces białek.

W ramach projektu zidentyfikowaliśmy nowe białka, które biorą udział w regulacji poziomu RNA. Wśród nich jest ludzkie białko MTRES1. Pełni ono funkcję ochronną, przeciwdziała obniżeniu ilości funkcjonalnych RNA, gdy mitochondria znajdują się w trudnych warunkach. Badaliśmy również inne białko z mitochondriów o nazwie GRSF1. Pokazaliśmy, że współdziała ono z degradosomem, główną maszynerią mitochondrialną odpowiedzialną za rozkład RNA. Odkryliśmy, że współdziałanie to dotyczy RNA, które zawiera wiele guanozyn (liter G informacji genetycznej). Cząsteczki takiego RNA przyjmują specjalną, bardzo stabilną strukturę przestrzenną. Pokazaliśmy, że rolą GRSF1 jest destabilizowanie tych specjalnych struktur, aby ułatwić ich rozkładanie (praca opublikowana w „Nature Communications” w 2018 r.).

Maszyneria degradosomu składa się z dwóch białek. Jedno z nich (zwane helikazą) przesuwa nić RNA. Drugie, zwane nukleazą, odcina pojedyncze nukleotydy (litery informacji genetycznej) z jednego końca nici RNA. Aby dogłębnie zrozumieć ten proces, użyliśmy metody krystalografii białek, w celu określenia atomowej struktury degradosomu z drożdży. Struktura pokazała, że helikaza i nukleaza wiążą się ze sobą tworząc kompaktową maszynę, w której helikaza wpycha RNA do kanału w nukleazie. Na końcu kanału znajduje się miejsce, w którym zachodzi reakcja chemiczna odcinania nukleotydów. Oba białka tworzą więc ściśle skoordynowaną efektywną maszynę do rozkładania RNA (praca opublikowana w „Nature Communications” w 2018 r.). Badaliśmy również bardziej ogólnie funkcjonowanie degradosomu drożdży. Pokazaliśmy, że jego rolą jest zapewnienie, aby w mitochondriach obecne były funkcjonalne RNA (w tym kodujące białka), a niefunkcjonalne RNA były usuwane.

Istotną częścią projektu było również opracowanie metod komputerowych, które pozwalają na analizę danych dotyczącej sekwencji liter informacji genetycznej w RNA z mitochondriów, a także analizę tych regionów RNA, które oddziałują z białkami. Zaletą nowo opracowanych metod jest to, że mogą być one użyte do trudnych zestawów danych, również takich, w których znajduje się duża różnorodność sekwencji. Realizacja tego projektu dostarczyła ważnych informacji o przetwarzaniu RNA w mitochondriach człowieka oraz organizmów prostszych (drożdży). Pozwala to lepiej zrozumieć funkcjonowanie tych kluczowych dla komórki struktur. Dane dla komórek ludzkich są również podstawą do zrozumienia poważnych chorób wynikających z defektów ludzkich mitochondriów i tworzenia strategii ich leczenia.

Laboratorium Struktury Białka w MiBMiK. Fot. Marcin Nowotny