Учёные детально изучили белок репарации ДНК в действии

Ошибки в генетическом коде, возникающие из-за неспаренных нуклеотидных оснований в двойной спирали ДНК, могут приводить к раку и другим заболеваниям. У микроорганизмов такие ошибки лежат в основе адаптации к стрессу окружающей среды. Небольшой белок MutS (от «Mutator S») — один из первых ответчиков на эти генетические ошибки — контролирует целостность геномов у широкого круга организмов, от микробов до человека.

Команда исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США и Научно-исследовательского института Скриппс разработала новую технику изучения ДНК, которая позволила детально изучить роль MutS в системе репарации ошибочно спаренных оснований (MMR). Прорыв, включающий гибридные наноматериалы и технологию малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS), помог решить важную проблему, связанную с целостностью генома и биологическим обнаружением неспаренной ДНК.

Используя синхротрон Advanced Light Source в Berkeley Lab, исследователи применили золотые нанокристаллические метки на ДНК для создания гибридных наноматериалов, оптимизированных для наблюдения методом SAXS. Комбинация золотых нанометок и SAXS позволила команде отследить конформационные изменения ДНК, вызванные белком MutS в процессе обнаружения и ответа на ошибку спаривания. Также было показано, что эту технику можно использовать для изучения как коротких, так и длинных фрагментов ДНК в растворах, сравнимых с клеточной средой.

«Наша методика использования SAXS с золотыми нанометками позволяет исследовать обработку ДНК кооперативными ферментами в условиях, где важны параметры раствора, большие расстояния, низкие концентрации, субстехиометрические популяции и короткие временные масштабы», — говорит Грег Хьюра, ведущий автор статьи в PNAS.

Соавтор работы Джон Тейнер отмечает: «Распространено мнение, что ДНК — пассивный компонент в белковых взаимодействиях, связанных с метаболизмом ДНК, но многие белки фактически используют структурные особенности ДНК, такие как жёсткость и конформация, для важных биологических процессов. Этот взгляд отчасти связан с нехваткой надёжных инструментов для изучения динамических конформационных состояний ДНК в многоступенчатых реакциях».

Исследование проводилось на станции SIBYLS (beamline 12.3.1), оптимизированной для SAXS-визуализации. «Поскольку рентгеновские лучи рассеиваются в основном на электронах, использование золотых нанокристаллов обеспечивает чрезвычайно высокий контраст по сравнению с органическими молекулами, критически важными для биологии», — поясняет Тейнер.

SAXS-исследование подтвердило модель репарации ДНК «бусы на нитке», где белки MutS — это «бусы», а ДНК — «нить». В растворе белок MutS связывается с сайтом неспаренного основания, изгибая ДНК. Затем ферменты АТФ окружают и вырезают ошибку. После этого MutS выпрямляет изгиб и продолжает «проверку» ДНК.

«Это первый раз, когда мы использовали эту технику для изучения в растворе опосредованного белками процесса, такого как репарация ДНК, с участием нескольких партнёров», — говорит Хьюра. — «Мы смогли определить важные детали о MutS и системе MMR, которые будут ценны для разработки лекарств. Теперь мы также знаем, что искать в вызывающих рак мутациях MutS. Изучая мутантные версии MutS, мы, возможно, сможем увидеть, что они изгибают ДНК или формируют филамент не в той же степени, что и нормальная версия».