Белковые "змеи" управляют упаковкой ДНК

Исследователи из Центра теоретической биологической физики (CTBP) Университета Райса изучили динамику ключевых белков, которые помогают ДНК сворачиваться в компактную, функциональную форму в хромосомах. Они обнаружили, что спиральные домены (coiled coils) белка не пассивны, а активно переплетаются друг с другом, подобно змеям, формируя более крупные петли в ДНК.

Эти петли сближают участки ДНК, регулирующие транскрипцию генетической информации. Белки конденсин и когезин, относящиеся к группе белков структурного поддержания хромосом (SMC), управляют этим процессом.

Ключевые механизмы

  • Белки SMC имеют кольцеобразную структуру-"лассо", состоящую из двух спиральных доменов длиной 35 нанометров.
  • На одном конце находятся АТФазные моторы ("головки"), связывающиеся с ДНК, на другом — "шарниры", которые, как считается, открываются и закрываются, захватывая нити ДНК.
  • Моделирование показало, что спиральные домены активно переплетаются (braiding), что является топологической особенностью.
  • Поскольку белки SMC положительно заряжены, а ДНК — отрицательно, это электростатическое взаимодействие, вероятно, помогает "лассо" обвиваться вокруг ДНК.

Методология исследования

Для изучения этих крупных белков (1100–1300 аминокислотных остатков) использовали комбинацию методов:

  1. Анализ прямых связей (DCA) для учета коэволюции белковых последовательностей.
  2. Алгоритм AWSEM для определения полной функциональной структуры на основе грубого набора атомных сил внутри белка.
  3. Моделирование на основе силовых полей, которое и выявило феномен переплетения.

Значение и перспективы

Модели также предполагают, что АТФазные моторы, связывающие ДНК, могут закручивать эти переплетения. Один мотор раскручивается, а другой закручивается, что потенциально передаёт кручение белковых доменов на ДНК в процессе формирования петель.

Следующим шагом будет тестирование более сложной системы с двумя нитями ДНК для проверки гипотезы о кручении. Это часть более масштабной работы CTBP по применению теорий сворачивания белков к динамике хромосом. Понимание механизмов организации хромосом важно, так как многие заболевания возникают из-за их дезорганизации.