Исследование раскрывает, как белковый комплекс связывается с ДНК для начала репликации

Перед делением любой клетки — здоровой или раковой — необходимо реплицировать её ДНК. Учёные, изучающие этот процесс, чтобы понять работу нормальных клеток и, возможно, остановить аномальные, расшифровали молекулярные детали сложного механизма, с помощью которого клеточные белки распознают и связываются с ДНК для запуска репликации. Исследование опубликовано 7 марта 2012 года в журнале Structure.

"Каждая клетка начинает репликацию своего генома в определённых участках ДНК, называемых 'оригинами репликации'", — пояснил ведущий автор исследования Хуилин Ли. Клетка находит эти оригины в обширном геноме с помощью белкового 'комплекса распознавания оригина' (origin recognition complex, ORC)".

В сложных эукариотических организмах, таких как человек с геномом в 3,4 миллиарда пар оснований, могут быть десятки тысяч оригинов репликации, чтобы процесс дупликации генома занял разумное время.

Целью работы было понять первые шаги дупликации эукариотического генома: как ORC распознаёт и связывается с ДНК оригинала, и как ORC, связанный с оригином, обеспечивает присоединение дополнительных белковых комплексов, которые разделяют двойную спираль ДНК на две цепи для последующего копирования.

Предыдущие исследования изучали более простые аналогичные комплексы у бактерий. Эукариотические белки сложнее и крупнее, что затрудняет их изучение. Некоторые работы рассматривали эукариотические белки с относительно низким разрешением и изолированно, но детальное исследование их связывания с ДНК проведено впервые.

Цзинчуань (Джим) Сунь использовал метод крио-электронной микроскопии (cryo-EM) для получения изображений эукариотического ORC с высоким разрешением: в изоляции, при связывании с ДНК и на следующем этапе — после присоединения активирующего белка. Исследование проводилось на белках пекарских дрожжей, модельной системе для эукариот.

Изображения cryo-EM позволили построить карту (контур) всей структуры ORC и её изменений в процессе активации. Для детализации этих изменений учёные использовали атомные структуры малых белковых субъединиц, полученные методом рентгеновской кристаллографии другими группами. Эти структуры были созданы для прокариотических клеток архей, эволюционно родственных эукариотам, и послужили "заменителями" для пока неизвестных структур эукариотических субъединиц.

Путём подгонки этих субъединиц в карты cryo-EM учёные предложили детальную структуру и механизм работы ORC:

1. В исходной форме это двухдольный, серповидный белковый комплекс, который оборачивается вокруг ДНК оригинала и изгибает её вдоль внутренней кривой серпа.
2. Последовательное связывание "инициатора репликации" Cdc6 (cell division cycle 6) индуцирует значительное конформационное изменение в структуре ORC, связанного с оригином.

Эта новая конформация, по мнению учёных, вероятно, открывает путь для присоединения следующего ключевого для репликации белкового комплекса — того, который разделяет цепи двойной спирали ДНК.

"Наше исследование фундаментально и направлено на понимание базовых биологических процессов", — сказал Ли. — "Но работа имеет серьёзное значение для здоровья и болезней, поскольку нерегулируемая дупликация хромосом и неконтролируемая пролиферация клеток — отличительные черты рака. Понимание деталей механизмов репликации ДНК может потенциально привести к новым способам борьбы с раком".