Новые подходы к изучению механизмов трансляции с помощью крио-электронной микроскопии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-74-20186

НазваниеНовые подходы к изучению механизмов трансляции с помощью крио-электронной микроскопии

Руководитель Афонина Жанна Аркадьевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт белка Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-208 - Молекулярная биология

Ключевые слова трансляция, инициация трансляции, рибосома, факторы инициации эукариот, крио-электронная микроскопия, биогенез бактериальных рибосом

Код ГРНТИ34.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен исследованию молекулярных механизмов, оказывающих наиболее сильное регуляторное действие на биосинтез белка в клетках организмов, составляющих основные царства живой природы – бактерий и эукариот. Эти процессы – биогенез бактериальных рибосом и сканирование лидерных последовательностей эукариотических мРНК при инициации их трансляции – планируется изучать методом крио-электронной микроскопии, успешно конкурирующим с рентгеновской кристаллографией и в настоящее время обеспечивающим самую обильную часть структурной информации о рибосомных комплексах. В силу преимуществ этого метода его вклад в раскрытие механизмов трансляции трудно переоценить. Инициация трансляции у эукариот – сложный молекулярный процесс, сопровождающийся образованием огромных динамических нуклеопротеидных комплексов, состоящих из рибосомные субчастиц и белковые факторов инициации. В последние годы была определена локализация факторов инициации eIF1, eIF1A, eIF2 и eIF3 в составе инициаторных комплексов дрожжей и млекопитающих. Однако один объект не поддается попыткам определить ни его структуру, ни положение в инициаторных комплексах – это фактор инициации eIF4F. Высокая подвижность структуры eIF4F обрекла на неудачу прямые попытки использования методов крио-ЭМ и рентгеноструктурного анализа. Однако даже приблизительная информация о положении этого фактора в инициаторном комплексе могла бы подтвердить или опровергнуть множество существующих моделей инициации и регуляции трансляции, зачастую противоречащих друг другу. В рамках данного проекта предполагается методом крио-электронной микроскопии решить структуру пре-инициаторных рибосомных комплексов, включающих эукариотический фактор инициации eIF4F. Для этого предполагается использовать оригинальный метод фиксации субъединиц фактора eIF4F на 40S рибосомной субчастице с помощью молекул РНК, содержащих фактор-связывающие элементы из геномных РНК вирусов растений. В случае успеха будет получена уникальная структурная информация, которая позволит существенно приблизиться к пониманию механизмов инициации трансляции у эукариот и прояснить многие аспекты регуляции экспрессии эукариотических генов на уровне трансляции. Механизм биогенеза рибосом – созревание рибосомной РНК (рРНК) и сборка рибосомных субчастиц – еще очень далек от полного понимания. Образование таких крупных комплексов, в частности, созревание нуклеиновых кислот в составе формирующейся рибосомы, а также пути поэтапного формирования третичной структуры (укладка) больших фрагментов нуклеиновых кислот при участии белков (играющих структурную или энзиматическую роль) представляют большой научный интерес. Известно, что формирование рибосомных субчастиц in vitro и in vivo – сложный скоординированный процесс, в котором участвуют ряд белковых факторов, которые могут модифицировать рибосомную РНК, либо способствовать формированию продуктивной структуры рРНК за счет хеликазной активности. На настоящий момент крайне мало известно о механизмах (в частности, интермедиатах) сборки собственно рибосом. Современные генетические подходы позволяют выключить или кардинально снизить синтез определенных белков, участвующих в биогенезе, и получить in vivo интермедиаты сборки рибосом, «застывшие» на определенном этапе. В рамках данного проекта предполагается при помощи крио-электронной микроскопии провести структурные исследования интермедиатов сборки бактериальных рибосом Escherichia coli, формирующихся в клетках в отсутствие универсально-консервативных рибосомных белков L1 и L5. На основе полученных данных планируется не только определить на структурном уровне роль этих конкретных белков в биогенезе рибосомы, но также выявить глобальные закономерности, лежащие в основе упорядоченного поэтапного формирования третичной структуры РНК в таких крупных рибонуклеиновых комплексах, как бактериальная рибосома. Планируется также локализовать положение нового фактора биогенеза рибосомы – Hfq – на незрелой малой рибосомной субчастице E. coli, определить области его контактов с рРНК и рибосомными белками, а также сравнить незрелую 30S субчастицу как таковую и в комплексе с Hfq, а именно конформации 5’ и 3’-концевых участков 17S рРНК. Ожидаемые от реализации предлагаемого проекта знания важны и для фундаментальной науки, и для биотехнологических и медицинских разработок, а биологическая значимость изучаемых процессов определяет его актуальность. Появившиеся недавно технические возможности решить обозначенные задачи (совершенствование крио-ЭМ структурного анализа) и принадлежность коллектива проекта в немногочисленную группу лидирующих лабораторий, способных применить крио-ЭМ для исследования транслирующих полирибосом, усиливает актуальность проекта. Научная новизна проекта обеспечена следующим важным обстоятельством: новым оригинальным экспериментальным подходом к решению задачи о локализации фактора eIF4F на 40S рибосомной субчастице с помощью молекул РНК, содержащих фактор-связывающие элементы из геномных РНК вирусов растений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сахаров П.А., Согорин Е.А., Агаларов С.Ч., Колб В.А. Модификация 5' конца лидерной последовательности мРНК приводит к изменению набора факторов, требуемых для инициации трансляции Молекулярная биология (год публикации - 2020)

2. Алехина О.М., Теренин И.М., Дмитриев С.Е., Василенко К.С. Functional Cyclization of Eukaryotic mRNAs International Journal of Molecular Sciences, 21(5), 1677 (год публикации - 2020)
10.3390/ijms21051677

3. Леконцева Н.В., Столбоушкина Е.А., Никулин А.Д. Diversity in the Family of LSM Proteins: Similarities and Differences Biochemistry (Moscow) (год публикации - 2021)

4. Максимова Е.М., Корепанов А.П., Кравченко О.В., Баймухаметов Т.Н., Мясников А.Г., Василенко К.С., Афонина Ж.А., Столбоушкина Е.А. RbfA Is Involved in Two Important Stages of 30S Subunit Assembly: Formation of the Central Pseudoknot and Docking of Helix 44 to the Decoding Center International Journal of Molecular Sciences, 22(11), 6140 (год публикации - 2021)
10.3390/ijms22116140

5. Сорокин И.И., Василенко К.С., Теренин И.М., Калинина Н.О., Агол В.И., Дмитриев С.Е. Non-Canonical Translation Initiation Mechanisms Employed by Eukaryotic Viral mRNAs Biochemistry (Moscow), 86(9), 1060–1094 (год публикации - 2021)
10.1134/S0006297921090042

6. Максимова Е.М., Корепанов А.П., Кравченко О.В., Баймухаметов Т.Н., Мясников А.Г., Василенко К.С., Афонина Ж.А., Столбоушкина Е.А. The 30S Ribosomal Subunit Assembly Factor Rbfa Plays a Key Role in the Formation of the Central Pseudoknot and in the Correct Docking of Helix 44 of the Decoding Center. International Journal of Biomedicine, 11 Suppl 1, S23-24 (год публикации - 2021)
10.21103/IJBM.11.Suppl_1.P27

7. Баймухаметов Т.Н., Кравченко О.В., Афонина Ж.А., Василенко К.С. Sub 3A Resolution Cryo-EM Structure of Eukaryotic Small (40S) Ribosomal Subunit International Journal of Biomedicine, 11 Suppl 1, S20 (год публикации - 2021)
10.21103/IJBM.11.Suppl_1.P20

8. Максимова Е.М., Кравченко О.В., Корепанов А.П., Столбоушкина Е.А. Protein Assistants of Small Ribosomal Subunit Biogenesis in Bacteria Microorganisms, 10 (4), 747 (год публикации - 2022)
10.3390/microorganisms10040747

9. Баймухаметов Т.Н., Лябин Д.Н., Чесноков Ю.М., Сорокин И.И., Печникова Е.В., Васильев А.Л., Афонина Ж.А. Polyribosomes of circular topology are prevalent in mammalian cells Nucleic Acids Research (год публикации - 2023)
10.1093/nar/gkac1208

Публикации