Белки-"планеристы" раскрывают механизм регуляции генов
Для быстрой адаптации к изменениям окружающей среды бактериям необходимо быстро включать или выключать определенные гены. Хотя общие механизмы регуляции генов давно известны, детали оставались неясны десятилетиями. Исследователи из Уппсальского университета представили картину того, как белки регулируют экспрессию генов на атомном уровне.
Гены можно рассматривать как чертежи для всех молекулярных машин — обычно белков, — которые выполняют задачи, необходимые для выживания организма. В разных условиях требуются разные белки, например, для расщепления доступных питательных веществ.
Чтобы адаптироваться к новой среде, бактерии регулируют активность существующих в клетке белков, а также с помощью связывания специальных белков — транскрипционных факторов — с определенными участками ДНК. Это включает или выключает гены, регулируя производство различных белков.
"Последнее может казаться невозможным, так как произвольный транскрипционный фактор обычно существует всего в нескольких копиях внутри бактериальной клетки, и одна из них должна найти специфический сайт связывания на спирали ДНК, которая содержит около пяти миллионов пар оснований", — говорит Эрик Марклунд, один из ведущих авторов нового исследования.
Около 40 лет назад было замечено, что транскрипционные факторы находят свои сайты связывания на ДНК гораздо быстрее, чем это позволяла бы свободная диффузия в трех измерениях. Теоретические и эмпирические исследования показали, что, вероятно, транскрипционные факторы связываются с хромосомой в любой точке встречи и затем скользят вдоль ДНК в поисках своих сайтов связывания. Это обеспечивает значительно более быстрый поиск, но до сих пор было неясно, как именно это происходит.
С помощью крупномасштабного компьютерного моделирования исследователи из группы Йохана Эльфа в Science for Life Laboratory (Уппсальский университет) детально изучили, как фактор LacI движется вдоль ДНК по спиральной траектории. Исследование, которое будет опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), сравнивает:
- Энергию, необходимую для разрыва взаимодействия с ДНК.
- Энергию, необходимую для скольжения вдоль ДНК.
- Сколько раз белок связывается с той же нитью ДНК, прежде чем начать поиск в другом месте.
Из этого сравнения ученые вывели среднее время, в течение которого транскрипционный фактор связан с ДНК, и сколько ДНК он успевает "просканировать", прежде чем отпустить ее.
"Полученные данные имеют огромное значение для понимания того, как регулируется активность генов. Не в последнюю очередь они указывают на то, как различные ДНК-связывающие белки влияют друг на друга, выступая в роли 'дорожных заграждений', которые затрудняют процесс. В конечном счете эти новые знания также дают представление о том, как можно манипулировать активностью генов".
Углубление понимания того, как молекулярные взаимодействия на атомном уровне влияют на генетическую активность клетки, открывает новые пути для медицинских исследований. Например, усовершенствованные методы моделирования позволяют тестировать, как новые лекарства могут повлиять на клетки, еще до их производства и реальных испытаний.