Exosoom voor afbraak van RNA’s (afb: Remco Sprangers et al./Nature Communications)

Onderzoekers van de universiteit van Regensburg hebben meer inzicht verkregen in de structuur, dynamiek en functie van mobiele componenten van het exosoom, een celorgaantje dat RNA-’s afbreekt. De resultaten bieden niet alleen biologische informatie over RNA-afbraak, maar vormen ook een methodologische mijlpaal in de structurele opheldering van biomoleculen. Het werk toont aan dat de wisselwerking van experimentele en informatische biofysische methoden het mogelijk maakt om de bewegingen van die grote molecuulmachines te onderzoeken. Dergelijke onderzoeken waren voorheen onmogelijk.
Eiwitten zijn de alleskunners in de cellen van elk levend organisme en de basis van al het leven. Vaak vormen eiwitten grotere complexen die, als moleculaire machines, diverse vitale taken uitvoeren. Deze complexen assembleren bijvoorbeeld vitale moleculen en demonteren ze weer wanneer ze niet langer nodig zijn.
Andere complexen transporteren of sorteren biomoleculen, of ze verzenden en ontvangen berichten. Om te begrijpen hoe deze eiwitcomplexen hun functies uitvoeren, moet je begrijpen hoe ze eruit zien. In de afgelopen decennia hebben onderzoekers de ruimtelijke structuur van diverse eiwitten opgehelderd. De universiteit van Regensburg beschikt hiervoor over een eigen hoge-resolutie cryo-elektronenmicroscoop. Deze microscoop werd in de huidige studie gebruikt om de statische structuur van een moleculaire machine op te helderen.
“Deze 3d-structuren zijn erg belangrijk, maar ze zijn niet voldoende”, zegt Remco Sprangers, hoogleraar biofysica . “Om de functie van eiwitten echt te begrijpen, moeten we begrijpen hoe ze bewegen en hoe hun structuur verandert tijdens hun werk. Dit is een nog grotere uitdaging dan het ontrafelen van hun rigide structuur.”
Met behulp van kernmagnetische resonantie (NMR)-spectroscopie onderzoekt zijn groep hoe eiwitten hun structuur veranderen om te doen wat ze moeten doen. De vraag is hoe kunnen deze veranderingen in beeld kunnen worden gebracht. NMR-data zijn over het algemeen erg abstract. Moleculaire dynamica (MD)-simulaties kunnen worden gebruikt om levendige dynamische structuurmodellen te berekenen die precies laten zien hoe de veranderingen eruitzien. Deze modellen vereisen echter experimentele verificatie.
“De combinatie van NMR en MD werkt op een vergelijkbare manier samen als een microscoop met een zeer hoge ruimtelijke en temporele resolutie en levert een soort film op van de atomaire interactie van eiwitten”, legt Till Rudack, hoogleraar structurele bio-informatica uit.

De NMR-methode werkte echter meestal alleen voor kleine eiwitten. “NMR bereikt vaak zijn grenzen bij grotere eiwitcomplexen. We hebben nu een doorbraak bereikt die ons in staat stelt de reuzen van de microscopische eiwitwereld te bestuderen, zoals het RNA-exosoomcomplex, dat een cruciale rol speelt bij de afbraak van RNA”, legt Jobst Liebau uit, postdoc in de groep van Spranger en hoofdauteur van de studie. “Bovendien konden we nu delen van het exosoomcomplex onderzoeken die voorheen onzichtbaar waren gebleven voor alle andere methoden”, voegt postdoc Daniela Lazzaretti toe.

RNA-afbraak

Het RNA-exosoom bestaat uit tien verschillende eiwitten en breekt RNA af. Een essentiële functie in elke cel. Liebau: “Door de bewegingen van voorheen onzichtbare delen te meten, kunnen we de kortdurende interacties tussen RNA en het exosoom analyseren.” Sommige delen van het eiwit bewegen extreem snel en maken bewegingen van enkele miljarden keren per seconde. Andere, meestal grotere, delen bewegen langzamer, ‘slechts’ 30 keer per seconde.
Deze langzame bewegingen lijken vaak van cruciaal belang te zijn voor de functie van eiwitcomplexen. Zo konden de onderzoekers een deel van het RNA-exosoom identificeren dat met ongeveer dezelfde snelheid beweegt als het exosoom RNA afbreekt. Er kan een directe verbinding tot stand worden gebracht.
De onderzoekers hebben dit nog niet bewezen, maar het is duidelijk dat er zonder beweging geen RNA-afbraak zou zijn.

De studie levert dus meer op dan een statisch beeld. Het levert een soort film op die inzicht biedt in de dynamische processen van RNA-afbraak door het exosoomcomplex. Rudock: “Leven is beweging en de wisselwerking tussen NMR- en MD-simulaties biedt diepgaande inzichten in de dynamische wereld van eiwitten.”
“De combinatie van verschillende biofysische methoden om structurele dynamiek te ontrafelen is baanbrekend voor toekomstig onderzoek. We beginnen nog maar net te begrijpen welke rol dynamiek speelt in de werking van eiwitten”, zegt Sprangers. Met hun studie hebben de onderzoekers de basis gelegd voor het transformeren van de voorheen statische beelden van de cellulaire microkosmos naar bewegende beelden.

Bron: idw-online.de