De grenzen van cryo-elektronenmicroscopie verleggen, Universiteit van Californië, Berkeley, wetenschappers hebben stilstaande beelden vastgelegd van de veranderende vorm van een enorm molecuul, een van de belangrijkste moleculaire machines van het lichaam, omdat het zich vastzet op DNA en de machines laadt om de genetische code te lezen.

het molecuul, transcriptiefactor IID genoemd, is van cruciaal belang voor het transcriberen van genen in RNA dat later zal worden gebruikt als blauwdrukken om eiwitten te maken. Vanwege de vele bewegende delen en het grote formaat, echter, De 3D-structuur van TFIID is moeilijk vast te leggen:de bewegende delen worden wazig.

Cryo-EM, een beeldvormingstechniek waarvan de ontdekkers de Nobelprijs voor de Scheikunde 2017 wonnen, is de enige manier om een ​​momentopname te krijgen van omvangrijke, floppy structuren zoals deze. Structurele informatie met een hoge resolutie is essentieel om te begrijpen hoe TFIID de bedieningsinstructies in ons genoom vertaalt en hoe het soms in de war raakt.

De nieuwe, meer gedetailleerde snapshots van de bewegende delen van het molecuul kunnen medicijnontwerpers helpen bij het maken van medicijnen die interfereren met de structurele veranderingen van het molecuul om de expressie van een gen dat ziekte veroorzaakt aan te passen.

"Deze structuren geven je de mogelijkheid om rationeel kleine moleculen te ontwerpen die de normale functie zullen verstoren, omdat we nu niet slechts één enkele structuur hebben, we hebben veel structuren, wat nog krachtiger is omdat we ons kunnen richten op de beweging die we nu zien, " zei Eva Nogales, een UC Berkeley hoogleraar moleculaire en celbiologie en een faculteitswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Nogales en haar collega's, meest prominente UC Berkeley afgestudeerde studenten Avinash Patel en Robert Louder, plaatsten hun bevindingen deze week online voorafgaand aan de gedrukte publicatie in het tijdschrift Wetenschap .

"Waar je dat medicijn plakt en hoe je dat medicijn laat werken, is sterk afhankelijk van de voorbijgaande aard van deze structuren, en dat is iets wat we pas heel recent zijn gaan beseffen, " zei Robert Tjian, een professor in moleculaire en celbiologie aan de UC Berkeley die TFIID ontdekte en een groot deel van zijn carrière aan het molecuul heeft gewerkt, hoewel hij geen co-auteur van het nieuwe artikel was. "Omdat deze moleculen bewegen en hun structuren zo ingewikkeld zijn, conventionele medicijnontdekking zou nooit onthullen wat er aan de hand is. Eva's structuren gaan dat veranderen. Dit heeft het potentieel om het universum van medicamenteuze doelen te openen."

Bevriezing van moleculen

TFIID is een agglomeratie van meer dan een dozijn verschillende eiwitten die zich nestelen op een promotor - een DNA-gebied dat de transcriptie van een nabijgelegen gen regelt - en de sequentie test om er zeker van te zijn dat deze op de juiste plek is geland. Zodra dit is bevestigd, het opent om tientallen andere eiwitten te rekruteren die dan langs het gen beginnen te ratelen, de DNA-sequentie gebruiken als een sjabloon om een ​​complementaire RNA-sequentie te creëren, boodschapper-RNA genoemd. Dit baant zich vervolgens een weg uit de kern naar het lichaam van de cel, waar het door andere moleculaire machines wordt vertaald in eiwit.

"TFIID is waarschijnlijk de moeilijkste structuur die iemand heeft geprobeerd op te lossen, omdat het enorm en zeer flexibel is, "zei Tjian. "De enige manier waarop je deze zeer flexibele structuren kunt zien, is met cryo-EM, en Eva kan nu al deze verschillende flexibele toestanden bevriezen en de beweging beschrijven."

Cryo-EM omvat het bevriezen van een druppel die miljoenen kopieën van een molecuul bevat, in elke denkbare richting, en het gebruik van een elektronenmicroscoop om de structuur te bepalen door afbeeldingen te combineren om de 3D-vorm te definiëren. Omdat TFIID veel bewegende delen heeft omdat het zich bindt aan DNA en klaar is om een ​​gen te transcriberen, het middelen van alle bevroren posities levert een wazig beeld op.

Nogales vergelijkt eerdere inspanningen bij het afbeelden van TFIID, inclusief haar eigen pogingen die bijna 20 jaar teruggaan, tot het maken van een foto van een voetbalteam op het veld en het middelen van de bewegingen van alle spelers. Het resultaat is een generieke menselijke torso met wazig hoofd en ledematen.

Het voetbalveld in beeld brengen

Nutsvoorzieningen, dankzij meer dan twee jaar intensief werk door Patel en Louder, het is mogelijk om beelden met een hogere resolutie vast te leggen die vergelijkbaar zijn met het onderscheiden van een trap van een aanvaller uit een handblok van een keeper en een kopbal van een vleugelverdediger.

"Stel je hebt een beeld van de 22 voetballers op het veld, en je zou ze combineren tot een enkele eenheid die je de 'generieke voetballer, '" zei ze. "Het ziet eruit als een wazige foto - je zou nauwelijks kunnen zien dat het een mensachtige vorm is en dat er een soort beweging is, maar je zou niet beseffen dat er een verschil bestaat tussen de spelers."

The improved pictures are a result of better detectors developed originally by colleagues at Berkeley Lab, and steadily improving computer algorithms to analyze the huge amounts of data collected by the detectors. This helped Nogales and her team to define five distinct structures of the TFIID molecule.

"They span the whole binding sequence:before binding to the DNA, initial binding to the promoter, subsequent binding after it double checks that this is the right place, and the final state, " Nogales said.

She and her colleagues continue to push the limits of cryo-EM, hoping to determine the 3-D structure of TFIID after other transcription proteins land on it to complete the transcription process.