Футпринтинг (химическое зондирование)

Футпринтинг объединяет группу методов, предназначенных для определения участков рРНК, вовлеченных в связывание с рибосомой участников процесса трансляции (чаще всего тРНК или факторов трансляции), называемых для краткости лигандами рибосомы. Суть метода состоит в определении нуклеотидов рРНК, защищаемых лигандами от химической модификации или гидролиза, вызванного действием ферментов или гидроксил-радикалов (название метода связано с тем, что лиганд, защищая определенные участки рРНК, как бы оставляет свой “отпечаток” на рибосоме). Гидроксил-радикальный пробинг РНК в составе нуклеопротеидов стал развиваться относительно недавно; гидроксил-радикалы, способные расщеплять фосфодиэфирные связи РНК, обычно генерируют, используя перекись водорода и катализаторы ее диссоциации, например, ионы Fe²⁺ в сочетании с аскорбиновой кислотой. Положение модифицированных реагентами нуклеотидов или разрывов в рРНК определяют с помощью обратной транскрипции – синтеза комплементарной цепочки ДНК по РНК как по матрице с использованием меченого праймера – короткого фрагмента ДНК, комплементарного 3’-концевой части изучаемой области РНК. Синтез растущей цепи обрывается, когда обратная транскриптаза (фермент, который осуществляет синтез молекул ДНК по матрице РНК, впервые охарактеризован в 1970 г Балтимором и Тёминым; данный фермент имеется у вирусов, геном которых представлен молекулами РНК – эти вирусы называют «ретровирусы», например ВИЧ) доходит до модифицированного основания в РНК, которое не может образовывать «нормальную» комплементарную пару, или до места разрыва в РНК. Синтезированные фрагменты комплементарной ДНК определяют с помощью электрофореза в полиакриламидном геле точно так же, как это делают при секвенировании по методу Сэнгера (с использованием дидезоксинуклеозид-трифосфатов, или «стопперов», в параллельных экспериментах).

Следует иметь в виду, что данные футпринтинга в определенной степени неоднозначны, поскольку защита любого нуклеотида рРНК от химической модификации или гидролиза может быть связана не только с тем, что он экранирован лигандом, но и с вторичными эффектами - например, структурными перестройками в рРНК, вызванными связыванием лиганда в отдаленном от этого нуклеотида участке рибосомы. Наиболее информативным оказывается применение и химического, и энзиматического пробинга одновременно. Эти методы дают взаимно дополняющую информацию, поскольку, как правило, участки, где меняется доступность нуклеотидов для химической модификации, не совпадают с участками, где меняется доступность фосфодиэфирных связей для гидролиза ферментами.

Первые значительные результаты по изучению структуры и функции рибосом с помощью химического футпринтинга были получены в группе американского рибосомолога Г. Ноллера в 80-х годах ХХ века. Сравнивая наборы нуклеотидов рРНК в рибосомах E. coli, защищаемых от модификации молекулами тРНК в составе различных модельных комплексов, удалось определить, какие участки рРНК вовлечены в формирование А, Р и Е-участков, пептидилтрансферазного центра и выдвинуть ряд принципиальных предположений о том, что тРНК при движении в процессе цикла элонгации из А-участка в Р, а из Р-участка в Е проходит через промежуточные - так называемые «гибридные» состояния. Так, перед транслокацией пептидил-тРНК из А-участка в Р после связывания фактора EF-G и GTP молекула пептидил-тРНК переходит в гибридное состояние A/P (3’-конец с растущим пептидом уже в Р-участке, а антикодон все еще связан с кодоном мРНК в А-участке), а молекула деацилированной тРНК в Р-участке – в гибридное состояние P/E (3’-конце уже в Е-участке, а антикодон все еще связан с кодоном мРНК в Р-участке). В настоящее время существование гибридных состояний тРНК подтверждено различными методами, в том числе и для рибосом эукариот. В «пост-рентгеновскую эпоху» (ХХI век) футпринтинг использовали и используют в основном для изучения рибосом эукариот, для которых метод РСА пока не даёт достаточного разрешения, чтобы различить элементы тонкой структуры.

Методологию футпринтинга можно использовать также для выявления экспонированных (не экранированных белками) в составе рибонуклеопротеида фрагментов РНК. В этом случае сравнивают доступность нуклеотидов свободной рРНК и рРНК в составе рибосомы. Наконец, для определения положения мРНК на рибосоме используют метод тоу-принтинга. В основе метода – обратная транскрипция на мРНК (в составе комплекса с рибосомой), как на матрице с использованием праймера, комплементарного 3’-концевому фрагменту мРНК, находящемуся вне рибосомы. Обратная транскриптаза ведет синтез кДНК до тех пор, пока «не натолкнется» на рибосому. Определив длину синтезированной кДНК, можно судить о том, какая часть мРНК с 3’-стороны находится вне рибосомы, и тем самым, положение мРНК на рибосоме. Метод очень удобен для того, чтобы следить за процессом транслокации мРНК – передвижение мРНК на каждый триплет в 5’-сторону приводит к укорочению на три нуклеотида 3’-концевой части мРНК, находящейся вне рибосомы.