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.
Väitöskirja on englaninkielinen