Vědci odhalili nové poznatky o protoribozomu, molekulární fosílii uvnitř ribozomu, která hraje klíčovou roli při vzniku života na Zemi. Tento výzkum, publikovaný v časopise Nucleic Acids Research, by mohl změnit naše chápání rané evoluce ribozomů a jejich významu pro vývoj života. Jednou z hlavních výzkumnic je Mgr. Klára Hlouchová, Ph.D. z katedry buněčné biologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.
Grafický abstrakt
Mezioborový tým vědců z Univerzity Karlovy a Vysoké školy chemicko-technologické v Praze, Milánské univerzity a Tokijského vědeckého institutu (dříve Tokijský technologický institut) v průlomové studii prokázal, jak peptidy (připomínající nejstarší fragmenty současných ribozomálních proteinů) přispívají ke kondenzaci a stabilitě protoribozomální RNA.
Pozadí
Život, jak ho známe dnes, je založen na těsném propojení nukleových kyselin, uchovávajících informace proteinů, plnících nespočet úkolů, a lipidů, tvořících okolní membrány. „K těmto interakcím mezi molekulárními prekurzory začalo docházet před více než 4 miliardami let před vznikem prvního života,“ říká Dr. Klára Hlouchová z Univerzity Karlovy, jedna z hlavních řešitelek studie. Buňky obsahují ribozomy, molekulární stroje, které vyrábějí bílkoviny. Díky své všudypřítomnosti a vysoké zachovalosti napříč všemi formami života se ribozomy kvalifikují jako prastaré molekulární fosilie, které evoluční biology přitahují jako nejlepší spojení s naší biologickou minulostí.
Klíčový objev
Protoribozom obklopuje peptidyltransferázové centrum (PTC), které je zodpovědné za tvorbu peptidových vazeb - základního procesu syntézy proteinů. Předchozí studie ukázaly, že samotná RNA může vykazovat aktivitu PTC. V ribozomální struktuře se však v blízkosti PTC nacházejí „ocásky“ několika ribozomálních proteinů (rPeptidů), které byly naznačeny jako pozůstatky nejstarších druhů peptidů, které pravděpodobně interagovaly s protoribozomem předtím, než se ribozom vyvinul v komplex RNA-protein, jak jej známe dnes. Úloha těchto rPeptidů nebyla dosud studována.
Toto nové zkoumání odhaluje, že rPeptidy mají rozhodující úlohu při řízení kompartmentalizace, a tedy stability protoribozomu. Byly zde studovány dva odlišné vývojové stupně protoribozomální RNA - 617- a 136nukleotidový („velký“ a „malý“) konstrukt. Malý konstrukt (spojený s dříve prokázanou aktivitou PTC) je strukturně flexibilnější, a přestože interaguje s rPeptidy s nižší specifitou, peptidy vyvolávají koacervaci - proces, který pomáhá vytvářet kapénky podobné kapalině v širokém koncentračním rozmezí. To následně chrání RNA před degradací. Velký konstrukt je naproti tomu strukturně definovanější, jak ukázaly atomistické počítačové simulace provedené skupinou doc. Michala H. Koláře na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze. Protoribozomální RNA ve velkém konstruktu interaguje s rPeptidy s vyšší specifičností a koaktivace tohoto komplexu je méně výrazná než u malého konstruktu.
Odlišné vlastnosti obou protoribozomálních stadií naznačují, že rPeptidy zpočátku zajišťovaly kompartmentalizaci a bránily degradaci RNA, což předcházelo vzniku specifických interakcí mezi RNA a bílkovinami, které jsou klíčové pro strukturální integritu současného ribozomu.
Evoluční výsledky
Výzkum naznačuje, že interakce mezi RNA a proteiny před vznikem prvního života poskytovala významnou biofyzikální výhodu, zejména tím, že zajišťovala kompartmentalizaci a bránila degradaci RNA. Tyto rané interakce mezi RNA a bílkovinami jsou považovány za předchůdce složitějších vztahů mezi RNA a bílkovinami, které jsou dnes nezbytné pro strukturální integritu ribozomu.
Mgr. Klára Hlouchová, Ph.D. z katedry buněčné biologie PřF UK, jedna z vedoucích výzkumných pracovnic studie, vysvětluje: „Naše zjištění naznačují, že peptidy hrají zásadní roli při řízení kondenzace a stabilizaci protoribozomu. To vrhá světlo na to, jak mohly být základní životní procesy chráněny a kompartmentalizovány v prebiotickém světě.“ „Spontánní tvorba koncentrovaných kapiček zároveň částečně závisí na sekvenci a struktuře RNA, což naznačuje, že je pro ribozomální částice poměrně specifická,“ dodává profesor Giuliano Zanchetta, spoluvedoucí výzkumník studie.
Závěr
Tato tisková zpráva vychází ze studie „The interplay between peptides and RNA is critical for protoribosome compartmentalization and stability“ publikované v časopise Nucleic Acids Research.
Výzkum byl financován Human Frontiers Science Foundation a Evropskou univerzitní aliancí 4EU+.
______________________________________________________________________________________________________________
Simone Codispoti, Tomoko Yamaguchi, Mikhail Makarov, Valerio G Giacobelli, Martin Mašek, Michal H Kolář, Alma Carolina Sanchez Rocha, Kosuke Fujishima, Giuliano Zanchetta, Klára Hlouchová, The interplay between peptides and RNA is critical for protoribosome compartmentalization and stability, Nucleic Acids Research, 2024;, gkae823, https://doi.org/10.1093/nar/gkae823