Grooving down the helix: Исследователи показывают, как белки скользят вдоль ДНК для выполнения жизненно важных биологических процессов

Международная команда ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории (DOE), Гарвардского университета и Индийского института науки сделала важный шаг в понимании того, как молекулы находят в ДНК генетическую информацию, необходимую для важных биологических процессов. Исследование, опубликованное 1 декабря 2009 года в Nature Structural & Molecular Biology, подтверждает, что многие белки, взаимодействующие с определенными участками ДНК, находят свои цели, скользя по одной из бороздок двойной спирали ДНК по спирали.

"По сути, белки, которые ищут конкретную информацию, вращаются вниз по двойной спирали ДНК, как будто движутся по резьбе винта, пока не найдут свою цель", — сказал соавтор Уолтер Мангел, биофизик из Брукхейвена.

Это исследование предоставляет экспериментальное доказательство недавней теории, предложенной командой, и может привести к новым способам изменения поведения ДНК-связывающих белков, ответственных за репликацию и репарацию ДНК, а также за включение и выключение генов.

До сих пор точный путь, по которому эти молекулы движутся вдоль ДНК, был неизвестен. Конкурирующие биологические модели утверждали, что белки либо движутся по прямой линии параллельно оси ДНК, либо следуют по более сложным спиральным траекториям, огибая ось вдоль цепи или бороздки ДНК.

Экспериментальный подход

Исследователи использовали косвенные методы для определения пути белка. С помощью специального флуоресцентного микроскопа ученые под руководством Санни Се в Гарварде наблюдали, как отдельные молекулы белка, помеченные флуоресцентным красителем, связываются с ДНК и затем скользят вдоль нее. Они могли измерить скорость движения молекул.

В зависимости от того, как белок движется вдоль оси ДНК — линейно или по спирали — он будет встречать разную степень сопротивления. Если движение линейное, его скорость будет уменьшаться пропорционально увеличению его радиуса. При спиральном движении возникает дополнительное трение, и скорость падает гораздо быстрее с увеличением радиуса.

Результаты

Используя человеческий белок репарации ДНК в качестве теста, Пол Блейни (ныне в Стэнфордском университете) обнаружил, что верен второй случай. Когда он увеличивал размер белка, скорость движения снижалась гораздо быстрее, чем при простом линейном движении.

Команда проанализировала скорости диффузии восьми различных белков разного размера. Эти молекулы имели разнообразные функции (репликация, расщепление, репарация ДНК) и механизмы связывания с ДНК. Они также были взяты из разных организмов: млекопитающих, бактерий и человеческих вирусов.

Исследователи наблюдали одну и ту же закономерность: скорость каждого белка резко снижалась с увеличением его радиуса, как и предсказывала теория для спирального скольжения.

"Данные представляют убедительные доказательства того, что белки ищут целевые последовательности ДНК, вращаясь вниз по спирали, а не линейно скользя вдоль ее оси", — сказал соавтор Биман Бигачи из Индийского института науки.

Значение работы

Эта работа подтверждает новое уравнение для описания и предсказания движения молекул белка вдоль цепей ДНК с более высокой точностью, чем когда-либо прежде. Это расширяет возможности будущих исследований в понимании и манипулировании поведением белков при связывании и скольжении по ДНК.

"Способность предсказывать скорость скольжения белка по ДНК позволяет изменить размер белка и тем самым изменить его скорость скольжения. Например, некоторым вирусным белкам необходимо скользить вдоль ДНК, чтобы вызвать инфекцию. Можно спроектировать небольшой белок, который свяжется с вирусным белком, чтобы замедлить его скорость скольжения. Это может быть полезным средством для блокирования вирусной инфекции", — сказал Мангел.

Исследование финансировалось Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний (часть NIH), Национальным научным фондом и Департаментом науки и технологий Индии.