Расшифровка роли белка CSB в репарации ДНК
Исследовательская группа из Университета штата Джорджия (GSU) с помощью суперкомпьютера Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США (DOE) раскрыла структурный механизм работы белка синдрома Коккейна B (CSB) в транскрипционно-сопряженной репарации ДНК.
Команда под руководством профессора химии GSU Ивайло Иванова недавно опубликовала результаты в Nature Communications. Их детальное изучение того, как CSB функционирует в качестве молекулярного мотора при репарации поврежденной ДНК, а также того, как мутации в CSB влияют на эту функцию, является важным шагом в исследованиях, направленных на лучшее понимание генетических нарушений и усилий организма по их устранению.
Белок CSB используется клетками для помощи в репарации ДНК, когда РНК-полимераза — фермент, синтезирующий РНК, раскрывая двуцепочечную ДНК и используя одну цепь в качестве матрицы — сталкивается с повреждением, достаточно большим, чтобы остановить её продвижение. Но как именно CSB помогает полимеразе преодолеть такие блокировки? Иванов и его команда ответили на этот вопрос, создав наиболее полные структурные модели CSB в комплексе с РНК-полимеразой в состояниях, свободных от нуклеотидов и связанных с нуклеотидами, и проведя молекулярно-динамическое моделирование на Summit.
Используя значительную вычислительную мощность Summit, исследователи смогли отследить каждый атом в этих сложных биомолекулярных системах, чтобы определить точные движения доменов CSB, которые приводят к АТФазной функции. В этом процессе молекулярный мотор CSB расщепляет фосфодиэфирные связи, высвобождая энергию для продвижения РНК-полимеразы вперед по матрице ДНК. Это позволило команде смоделировать движения внутри комплекса CSB–РНК-полимераза и получить новые данные о его роли в репарации.
«Происходит вращение дуплекса ДНК внутри и между двумя долями CSB, а также происходит натяжение одноцепочечной ДНК на вышерасположенном соединении. Это натяжение продвигает транскрипционный пузырь вперед и также помогает вытеснить повреждение из активных сайтов», — пояснил Иванов.
Команда также обнаружила, что «силовой ход» CSB влияет на вышерасположенное соединение ДНК и оказывает аллостерический эффект. В этом случае CSB создает движение, которое распространяется по всей окружности РНК-полимеразы.
«Это циклический процесс: происходит "накачка" мотора, и конформационные изменения циклически перемещаются туда-сюда. Это влияет на динамику щели РНК-полимеразы. Это движение помогает обойти менее объемные повреждения, застрявшие в активном сайте полимеразы», — сказал Иванов. «Напротив, столкновение с более крупным объемным повреждением приводит к сильной остановке РНК-полимеразы. В этом случае реакция клетки заключается в использовании CSB в качестве платформы для рекрутирования других белков. В конечном итоге, это приводит к рекрутированию фактора транскрипции IIH (TFIIH), который является еще одним молекулярным мотором».
Иванов использует аналогию с поездом, представляя матричную ДНК как железнодорожный путь, а остановившуюся полимеразу — как поезд, застрявший перед препятствием. Сначала CSB действует как молекулярный двигатель и толкает полимеразу вперед с одной стороны. Если это не срабатывает, то он рекрутирует другой, более мощный двигатель — TFIIH — и пытается толкнуть с другой стороны.
«Цель состоит в том, чтобы вытеснить повреждение ДНК из активного сайта полимеразы, чтобы его можно было вырезать, и транскрипция или репликация могли продолжаться», — сказал Иванов.
Иванов и его команда также изучили 19 точковых мутаций в CSB, идентифицированных у пациентов с синдромом Коккейна — генетическим заболеванием, часто диагностируемым в детстве с симптомами преждевременного старения, светочувствительности и отсутствия роста. Чтобы лучше понять влияние мутаций на структуру и динамику CSB — и их потенциальную роль в качестве триггера синдрома Коккейна — команда аннотировала и классифицировала каждую мутацию на основе её механистических эффектов.
Исследование выявило разнообразие ролей среди мутаций, что подтвердилось экспериментами, проведенными профессором Донгом Ваном в Фармацевтической школе Скаггса Калифорнийского университета в Сан-Диего.
«Некоторые мутации участвуют исключительно в аллостатической коммуникации — они передают конформационное изменение от активного сайта CSB к соединению ДНК транскрипционного пузыря внутри РНК-полимеразы. Затем есть мутации, которые влияют на структуру или стабильность доменов молекулярного мотора — они влияют на стабильность белкового ядра и могут привести к неправильному свертыванию этой области. Другие непосредственно участвуют в связывании с ДНК», — сказал Иванов.
Такое новое механистическое знание служит ступенькой к пониманию происхождения генетических нарушений, с более отдаленной целью — открытием потенциальных методов лечения.