Кольцевой белковый комплекс управляет ДНК
Биофизики из Университета Райса представили новую теорию клеточной механики, которая оказалась верной.
Лаборатория Хосе Онучика определила структуру белкового комплекса конденсина. Работа разрешает спор о том, является ли комплекс одиночным кольцом, "заарканивающим" две двойные спирали ДНК, или молекулярными "наручниками" из двух соединённых колец, каждое из которых управляет одной спиралью.
Команда под руководством постдока Даны Крепель использовала набор современных аналитических инструментов и пришла к выводу: это одиночное кольцо.
Их работа — первый шаг к пониманию активности белков, формирующих структуру хромосом на протяжении митоза и всех фаз клеточного цикла. Это понимание поможет учёным научиться лучше лечить генетические заболевания, включая рак.
Результаты двухлетнего исследования команды Райса опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Конденсин делает то, что предполагает его название: помогает конденсировать хромосомы в ядре клетки. Недавние исследования показали, что конденсин и его белковый партнёр когезин экструдируют ДНК. Но до сих пор не было ясно, как белки конденсина собираются в свои функциональные формы.
Крепель начала анализ с бактериальных комплексов конденсина, состоящих из пяти субъединиц, включая два белка структурного поддержания хромосом (SMC), которые соединяются как шарнир, и длинные клейсиновые белки, формирующие остальную часть кольца. Комплексы в ядрах эукариот человека — цель будущих исследований — похожи на свои более архаичные аналоги.
Крепель собрала пазл, комбинируя и сравнивая существующие данные об атомных структурах и генетических последовательностях отдельных белков. Структуры были получены из доступной рентгеновской кристаллографии фрагментов белков, а информация о последовательностях — через анализ прямых связей (DCA), статистическую программу, представленную Онучиком и его коллегами в 2011 году, которая сравнивает совместно эволюционирующие аминокислотные остатки в белках.
"Мы использовали DCA, чтобы выявить совместно эволюционирующие пары аминокислот, и у нас были небольшие фрагменты белков из экспериментов", — сказала Крепель. "Это была хорошая отправная точка, а затем нам пришлось собрать их вместе, как пазл. Мы хотели получить полную структуру и разрешить конфликт о том, одиночное это кольцо или двойное".
Знание о том, как белки эволюционируют вместе, было ключевым. "Это модульный механизм, состоящий из многих белков", — сказал соавтор, постдок Микеле Ди Пьерро. "Легче кристаллизовать один белок, но очень сложно выяснить структуру всего этого комплекса. Поэтому было идеально посмотреть на коэволюцию, которая позволяет нам получить информацию о комплексе, даже если у нас нет его структуры".
"Коэволюция, по сути, связана с естественным отбором", — добавил Райан Ченг, также постдок и соавтор статьи. "По мере накопления случайных мутаций определённые взаимодействия должны сохраняться, чтобы поддерживать функцию этого комплекса".
"Мы ожидаем, что там, где эти два остатка сходятся и совпадают, они будут эволюционировать вместе", — сказал Онучик. "Если один мутирует и даёт плохую реакцию, другой должен это компенсировать. Дана спросила, можем ли мы объединить эту информацию о последовательности с небольшими кристаллическими структурами и определить эти гигантские структуры, и оказалось, что можем".
Группа Онучика в Центре теоретической биологической физики (CTBP) опубликовала серию работ, распространяющих её теории о сворачивании белков на гораздо более крупный геном. Он ожидает, что текущая работа в конечном итоге раскроет механизмы конденсина. "Эти штуки должны конденсировать хромосомы", — сказал он. "Люди это знают. Но никто не знает, как они это делают".
Онучик сказал, что исследования других учёных предполагают, что гибкий шарнир может помогать открывать и закрывать кольцо, служа шлюзом, который позволяет цепям ДНК входить и выходить — процесс, на который также намекает исследование Райса. Но без знания положения каждой молекулы в комплексе невозможно полностью понять его функцию и динамику.
"Мы знаем, что комплекс конденсина вовлечён, потому что если его удалить, митоз не происходит", — сказал он. "Но никто не понимает механизма. Теперь, когда у нас есть эта структура, у нас есть первый шанс понять молекулярные детали".