Tutkimus selvitti mekanismin, jolla geenejä lukeva entsyymi liikkuu DNA:ta pitkin (Väitös: FM Matti Turtola, 8.6.2018, biokemia)
Kaikkien eliöiden biokemialliset toimintaohjeet löytyvät niiden perimästä, DNA:sta. Turun yliopiston Biokemian laitoksella työskennellyt Matti Turtola tutki väitöskirjassaan, miten perimän ohjeita lukeva entsyymi RNA-polymeraasi liikkuu ketjumaista DNA-molekyyliä pitkin. Väitöskirjassa kehitettyjen menetelmien avulla RNA-polymeraasin liikkeestä paljastui uusia välivaiheita, jotka osallistuvat geenien ilmenemisen säätelyyn. Tutkimuksen tuloksista on hyötyä uusia antibiootteja kehitettäessä.
Turun yliopiston tiedote 1.6.2018
Solujen ja eliöiden toimintaa ohjaavat niiden DNA:ssa sijaitsevat geenit. Geenien ilmenemisen ensimmäisessä vaiheessa solu valmistaa DNA:sta kopion, RNA-molekyylin. Tätä biokemiallista reaktiota katalysoi entsyymi nimeltä RNA-polymeraasi. Koska geenien sisältämä perimätieto on tallennettu nauhamaisiin DNA-ketjuihin, RNA-polymeraasin on liikuttava kopioinnin aikana DNA-molekyyliä pitkin.
Väitöskirjassaan Turtola kehitti biokemiallisia ja -fysikaalisia menetelmiä, joilla bakteerisoluista eristetyn RNA-polymeraasin liikkumista DNA:ta pitkin voitiin seurata aiempaa tarkemmin.
– Menetelmien avulla mittasimme RNA-polymeraasin liikettä metrin miljardisosan ja sekunnin tuhannesosien tarkkuudella. Tämä mahdollisti ensimmäistä kertaa RNA-polymeraasin entsyymireaktion erillisten vaiheiden erottamisen toisistaan, mikä oli pohjana toimintamekanismin selvityksessä, Turtola kertoo.
Entsyymikoneiston liikesarjasta paljastui uusia vaiheita
Nanometrien kokoiset proteiinikoneet, kuten RNA-polymeraasi, liikkuvat soluissa pitkälti lämpöliikkeen vaikutuksesta, mutta ohjaavat sattumanvaraisen heilahtelun proteiinirakenteen ja entsyymireaktioiden välityksellä yhdensuuntaiseksi liikkeeksi. Tutkimuksessa osoitettiin, että keskeinen osa tätä mekanismia on RNA-polymeraasin rakenneosa liipasinsilmukka.
– Liipasinsilmukan sulkeutuminen ja avautuminen tekivät liikkeestä pääasiassa eteenpäin suuntautuvaa. Jatkotutkimuksissa RNA-polymeraasin liikemekanismista paljastui kaksi uutta välivaihetta, joiden aikana entsyymi ei kykene toteuttamaan tehtäväänsä eli RNA:n kopioimista, Turtola kertoo.
Vaihtelut geenien luennan nopeudessa ovat osa geenien ilmenemisen säätelyä ja tunnistetut välivaiheet auttavat ymmärtämään RNA-polymeraasin aktiivisuuden vaihtelua geenien eri osissa.
RNA-polymeraasin liikettä nopeuttava proteiini toimii kuin vetoketjun sulkija
Väitöskirjan toisessa kokonaisuudessa Turtola keskittyi tutkimaan, miten RNA-polymeraasi ajoittain lipsahtaa lukukehyksestään ja liikkuu taaksepäin. Myös tämä entsyymin rakennetila estää RNA:n kopioimisen ja on siten tärkeässä roolissa geenien ilmenemisen säätelyssä. Toiset proteiinit voivat esimerkiksi tehostaa geenien lukua estämällä RNA-polymeraasin liikkumista taaksepäin.
– Yksi tällaisista proteiineista on nimeltään NusG, ja se on erityisen mielenkiintoinen vanhan evolutiivisen historiansa vuoksi. NusG:n kanssa rakenteeltaan samankaltaiset proteiinit säätelevät geenien ilmenemistä niin bakteeri- kuin ihmissoluissakin.
Väitöskirjassaan Turtola osoitti, että NusG toimii kuin vetoketjun sulkija: NusG tehostaa RNA-synteesin aikana avautuvien DNA-nauhojen yhteenliittymistä ja estää siten RNA-polymeraasia liikkumasta taaksepäin.
Uusia antibiootteja entsyymikoneistoa häiritsemällä?
Suora käytännön hyöty bakteerien geeninluennan yksityiskohtien selvityksestä liittyy antibiootteihin. Bakteerisolujen RNA-synteesiä estäviä lääkemolekyylejä käytetään tällä hetkellä muun muassa tuberkuloosin hoidossa.
Tutkimuksissa selvitettiin, millä tavoin kaksi RNA-polymeraasin proteiinirakenteeseen sitoutuvaa yhdistettä häiritsee RNA-synteesiä.
– Toinen näistä yhdisteistä, tagetitoksiini, kaappaa liipasinsilmukan estäen RNA-polymeraasia liikkumasta eteenpäin. Toinen yhdisteistä, CBR703 yllättäen nopeutti RNA-polymeraasin liikettä, mutta teki entsyymin erityisen herkäksi RNA-synteesiä hidastaville säätelysignaaleille.
Havainnot osoittavat RNA-polymeraasin rakenteesta uudenlaisen säätelyominaisuuden ja bakteereista uudenlaisen haavoittuvuuden. Tarkka käsitys yhdisteiden toimintamekanismeista on suoraan sovellettavissa uusien ja tehokkaampien antibioottien kehityksessä.
***
FM Matti Turtola esittää väitöskirjansa Translocation mechanism of the multisubunit RNA polymerase julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 8.6.2018 klo 12.00 (Turun yliopisto, Calonia, Cal 1 -luentosali, Caloniankuja 3, Turku).
Vastaväittäjänä toimii professori Finn Werner (University College London, Iso-Britannia) ja kustoksena professori Jyrki Heino (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.
FM Matti Turtola on syntynyt vuonna 1986 ja kirjoitti ylioppilaaksi Forssan yhteislyseossa vuonna 2005. Turtola suoritti korkeakoulututkintonsa (FM) Turun yliopistossa vuonna 2012. Väitöksen alana on biokemia. Turtola työskentelee tutkijana Aarhusin yliopistossa Tanskassa.
Väittelijän yhteystiedot: p. +358 503771713, matti.turtola@gmail.com
Väittelijän kuva: https://apps.utu.fi/media/vaittelijat/turtola_matti.jpg
Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-7275-3