RNA-Doppelhelixstruktur mit Synchrotronlicht identifiziert

Als Francis Crick und James Watson 1953 die doppelhelikale Struktur der Desoxyribonukleinsäure (DNA) entdeckten, begannen ihre Ergebnisse eine genetische Revolution, um die Bausteine lebender Organismen abzubilden, zu untersuchen und zu sequenzieren.

DNA kodiert das genetische Material, das von Generation zu Generation weitergegeben wird. Damit die in der DNA kodierte Information in die für das Leben notwendigen Proteine und Enzyme umgewandelt werden kann, dient Ribonukleinsäure (RNA), einzelsträngiges genetisches Material, das in den Ribosomen von Zellen vorkommt, als Vermittler. Obwohl in der Regel einzelsträngig, haben einige RNA-Sequenzen die Fähigkeit, eine Doppelhelix zu bilden, ähnlich wie DNA.

1961 stellte Alexander Rich zusammen mit David Davies, Watson und Crick die Hypothese auf, dass die als Poly (rA) bekannte RNA eine parallelsträngige Doppelhelix bilden könnte.

Fünfzig Jahre später kristallisierten Wissenschaftler der McGill University erfolgreich eine kurze RNA-Sequenz, Poly (rA)11, und verwendeten Daten, die an der Canadian Light Source (CLS) und dem Cornell High Energy Synchrotron gesammelt wurden, um die Hypothese einer Poly (rA) -Doppelhelix zu bestätigen.

Die detaillierte 3D-Struktur von Poly (rA)11 wurde vom Labor von McGill Biochemistry Professor Kalle Gehring in Zusammenarbeit mit George Sheldrick, Universität Göttingen, und Christopher Wilds, Concordia University, veröffentlicht. Wilds und Gehring sind Mitglieder der Quebec Structural Biology Association GRASP. Der Artikel erschien in der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition unter dem Titel „Structure of the Parallel Duplex of Poly (A) RNA: Evaluation of a 50 year-Old Prediction.“

„Nach 50 Jahren Forschung ist die Identifizierung einer neuartigen Nukleinsäurestruktur sehr selten. Als wir auf die ungewöhnlichen Kristalle von Poly (rA) stießen, sprangen wir darauf „, sagte Dr. Gehring, der auch das McGill Bionanomachines Trainingsprogramm leitet.

Gehring sagte, dass die Identifizierung der doppelhelikalen RNA interessante Anwendungen für die Forschung in biologischen Nanomaterialien und supramolekularen Chemie haben wird. Nukleinsäuren haben erstaunliche Eigenschaften der Selbsterkennung und ihre Verwendung als Baumaterial eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung von Bionanomaschinen – nanoskalige Geräte, die mit synthetischer Biologie hergestellt wurden.

„Bionanomaschinen sind aufgrund ihrer extrem geringen Größe, der geringen Produktionskosten und der einfachen Modifikation von Vorteil“, sagte Gehring. „Viele Bionanomaschinen beeinflussen bereits heute unseren Alltag als Enzyme, Sensoren, Biomaterialien und medizinische Therapeutika.“

Gehring fügte hinzu, dass der Nachweis der RNA-Doppelhelix vielfältige nachgelagerte Vorteile für die medizinische Behandlung und Heilung von Krankheiten wie AIDS oder sogar für die Regeneration von biologischem Gewebe haben könnte.

„Unsere Entdeckung der Poly (rA)-Struktur unterstreicht die Bedeutung der Grundlagenforschung. Wir suchten nach Informationen darüber, wie Zellen mRNA in Protein umwandeln, aber am Ende beantworteten wir eine langjährige Frage aus der supramolekularen Chemie.“

Für die Experimente verwendeten Gehring und ein Forscherteam Daten, die an der CLS Canadian Macromolecular Crystallography Facility (CMCF) gewonnen wurden, um die Struktur von Poly (rA) 11-RNA erfolgreich zu lösen.

Der CMCF-Beamline-Wissenschaftler Michel Fodje sagte, die Experimente seien sehr erfolgreich bei der Identifizierung der Struktur der RNA gewesen und könnten Konsequenzen dafür haben, wie genetische Informationen in Zellen gespeichert werden.

„Obwohl DNA und RNA beide genetische Informationen tragen, gibt es einige Unterschiede zwischen ihnen“, sagte Dr. Fodje. „mRNA-Moleküle haben Poly (rA) -Schwänze, die chemisch identisch mit den Molekülen im Kristall sind. Die Poly (rA) -Struktur kann physiologisch wichtig sein, insbesondere unter Bedingungen, bei denen eine hohe lokale Konzentration von mRNA vorliegt. Dies kann passieren, wenn Zellen gestresst sind und mRNA in Granulaten in Zellen konzentriert wird.“

Mit diesen Informationen werden die Forscher weiterhin die vielfältigen Strukturen der RNA und ihre Rolle beim Design neuartiger Bionanomaschinen und in Zellen in Stresssituationen abbilden.

Die Forschung an der Poly (rA) -Struktur wurde durch Zuschüsse des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada mit Unterstützung der Canada Foundation for Innovation, der Regierung von Quebec, der Concordia University und der McGill University finanziert.