Исследователи обнаружили новый механизм контроля белка, работающего с ДНК
Действия белка, участвующего в репликации и репарации ДНК, регулируются электростатическими силами, известными как фосфатное наведение. Это открытие не только раскрывает ключевые детали жизненно важного процесса в здоровых клетках, но и задаёт новые направления для исследований в области лечения рака.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, сосредоточены на ферменте flap endonuclease 1 (FEN1). Используя комбинацию кристаллографического, биохимического и генетического анализов, исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) показали, что фосфатное наведение удерживает FEN1 в рамках правильной работы.
"FEN1, как и многие белки репликации и репарации ДНК, играет парадоксальную роль в отношении рака", — заявила ведущий автор исследования Сьюзан Цутакава. "Ошибка FEN1 может повредить ДНК, что приведёт к развитию рака. С другой стороны, многим раковым клеткам для выживания и репарации ДНК, повреждённой лечением, необходимы белки репликации и репарации. Новые данные показывают, что фосфатное наведение помогает гарантировать, что FEN1 ведёт себя должным образом, чтобы предотвратить нестабильность генома".
Во время репликации двуцепочечная ДНК расстёгивается, обнажая нуклеотиды вдоль двух отдельных цепей. В этом процессе образуются открытые участки одноцепочечной ДНК (flaps). Задача FEN1 — удалить эти участки, позиционируя металлические катализаторы так, чтобы они могли разорвать фосфодиэфирные связи, составляющие основу цепей нуклеиновых кислот. Это расщепление происходит в дуплексной ДНК рядом с переходом к одноцепочечному участку.
Неудалённые участки могут привести к токсическому повреждению ДНК, которое либо убьёт клетку, либо вызовет обширные мутации. Например, экспансия тринуклеотидных повторов — мутация, связанная с такими расстройствами, как болезнь Хантингтона и синдром ломкой X-хромосомы, — характеризуется неспособностью FEN1 отрезать избыточную цепь.
"До нашего исследования было неясно, как FEN1 способен идентифицировать свою точную мишень, предотвращая неразборчивое расщепление одноцепочечных участков", — сказала Цутакава. "Должен быть способ, чтобы этот белок не разрушал похожие мишени, такие как одноцепочечные РНК или ДНК. Правильность этого процесса критически важна".
Используя рентгеновскую кристаллографию на источнике синхротронного излучения Advanced Light Source, учёные получили молекулярную картину структуры белка FEN1. Они определили, что одноцепочечный участок проходит через небольшое отверстие, образованное белком FEN1. Размер отверстия служит дополнительной проверкой того, что FEN1 связывается с правильной мишенью.
Однако они неожиданно обнаружили, что одноцепочечный участок инвертирован таким образом, что более уязвимая часть ДНК — фосфодиэфирный остов — обращена от металлических катализаторов, что снижает вероятность случайного разреза.
Инверсия направляется положительно заряженной областью в FEN1, которая стабилизирует перевёрнутое положение и направляет отрицательно заряженный фосфодиэфир одноцепочечной ДНК через туннель FEN1.
"Эти металлы похожи на ножницы и будут резать любую ДНК рядом с ними", — пояснила Цутакава. "Положительно заряженная область в FEN1 действует как магнит, оттягивая участок от этих металлов и защищая его от разрезания. Вот как FEN1 избегает расщепления одноцепочечной ДНК или РНК".
"Это фосфатное наведение — ранее неизвестный механизм контроля специфичности FEN1", — добавила она. "Раковым клеткам для репликации необходимы FEN-белки, поэтому понимание того, как работает FEN1, может помочь определить мишени для исследований в области лечения в будущем".