В клетках человека спираль ДНК скручивается и образовывает петли. Прежде чем копировать генетическую информацию, фермент ДНК-гираза расплетает петли двойной спирали, чтобы позволить ферментам сесть на одну из нитей ДНК и начать синтезировать на ее основе РНК или ДНК. Ученые обнаружили, что ДНК-гираза, приближаясь к сверхспирализованной ДНК, цепляется за нее своей субъединицей, чтобы проникнуть внутрь миникольца, образованного петлей. Полученные результаты имеют фундаментальное значение, а также помогут улучшить противораковые препараты, воздействующие на гиразу. Исследование опубликовано в журнале Science.
Длина всех молекул ДНК одной клетки — около 2 м. Весь объем генетической информации умещается в ядро клетки диаметром 6 микрометров благодаря суперспирализации. Внутри ядра ДНК плотно скручивается и сгибается в самые различные формы. При этом не весь объем генетической информации постоянно нужен клетке. Так возникают области с активным и неактивным хроматином. Разница заключается в размере петель, которые они образуют. Петли активного хроматина больше по размеру.
«Обычно мы представляем ДНК как линейную структуру, но внутри клеток она существует в виде сверхспиральных петель. Для изучения молекулярных взаимодействий между суперспиральной ДНК и ферментами, которые участвуют в функциях генома, мы чаще используем линейные молекулы ДНК вместо спиральной. Поэтому одной из целей нашей лаборатории было изучение этих взаимодействий с использованием структуры ДНК, которая более точно имитирует фактическую сверхспиральную и петлеобразную структуру, присутствующую в живых клетках», — рассказала ведущий автор исследования Линн Зехидрич из Медицинского колледжа Бейлора.
В течение многих лет ученые создавали небольшие петли суперспирализованной ДНК, чтобы использовать их в исследованиях in vitro. Они брали прямую линейную двойную спираль ДНК, скручивали ее один, два, три или более раз и соединяли концы вместе, чтобы образовалась петля. Анализируя взаимодействие таких модельных структур с гиразными ферментами, ученые обнаружили, что процесс присоединения гиразы к цепи ДНК похож на то, как петля лассо набрасывается на субъединицы гиразы, похожие на рога быка. Механизм взаимодействия и пространственную структуру биомолекул исследователям удалось увидеть с помощью замораживания и послойного электронного микроскопирования, а также с помощью магнитного пинцета — биофизического метода, который, используя колебания электромагнитных волн, показывает степень деформации одной биологической молекулы.
После того как ДНК-гираза оказывается внутри петли, она разрезает одну спираль ДНК в петле и пропускает другую спираль сквозь рассечение, а затем спаивает концы разреза. Это ослабляет перекручивание и снижает натяжение между спиралями, облегчая дальнейшее распутывание. Регуляция спирализации ДНК — один из способов контроля уровня активности генов.
«Эта работа поддерживает новые идеи о том, как регулируется деятельность ДНК. Мы предполагаем, что ДНК — это не пассивный набор генетической информации, на которую воздействуют ферменты, а активная биомолекула, которая использует суперспирализацию, петли и 3D-организацию для доступа ферментов, таких как гираза, к определенным последовательностям ДНК в ситуациях, когда клетке нужно повысить уровень активности тех или иных генов, чтобы наработать больше белка. Вероятно, этот механизм лежит в основе клеточных реакций на антибиотики или другие методы лечения», — добавили авторы исследования.
