Белок-защитник ДНК оказался мастером рециклинга ресурсов
Исследователи из Molecular Horizons Университета Вуллонгонга (UOW) выяснили, как важный, но малоизученный белок выполняет свою жизненно важную роль по снижению ошибок и мутаций при репликации ДНК.
Белки, связывающие одноцепочечную ДНК (SSB), поддерживают репликацию, защищая одноцепочечную ДНК и координируя ферменты, копирующие ДНК в правильной генетической последовательности.
До недавнего времени было неясно, как SSB используются в реплисоме — молекулярном комплексе-«фабрике» по копированию ДНК. Существовало две модели: белок доступен из цитозоля клетки или же его запас ограничен, и он постоянно перерабатывается.
Работа Molecular Horizons впервые показала сложную молекулярную хореографию, в которой происходят оба процесса. Реплисома может адаптировать использование SSB в зависимости от их доступности.
«Репликация ДНК элегантна, но внутри реплисомы — тесно и беспорядочно», — говорит ведущий исследователь доктор Лисанн Спэнкелинк. — «Мы раскрыли динамичный и высокоэффективный процесс, адаптирующийся к окружающим условиям».
Когда клетка делится, она производит две «дочерние» клетки, которые должны содержать ту же генетическую информацию, что и родительская. Эта информация передается через репликацию ДНК родительской клетки.
Когда двойная спираль ДНК раскручивается на две цепи, одна цепь (лидирующая) копируется и формируется в новую двойную спираль почти сразу. Другая цепь (отстающая) временно остается одноцепочечной, так как процессы раскручивания спирали и копирования идут в противоположных направлениях.
В результате на этой цепи есть фрагменты скопированной ДНК и пробелы. Открытая цепь сталкивается с двумя угрозами:
- Она может быть атакована белками, чья задача — уничтожать вирусы с одноцепочечной ДНК.
- Могут возникать ошибки копирования, ведущие к мутациям.
Здесь SSB выполняет две ключевые функции:
- Защита: Покрывает отстающую цепь, защищая её от атак и разрывов. Разрыв цепи может вызвать хромосомные поломки, способствующие генетическим нарушениям.
- Координация: Регулирует, какой фермент используется для подготовки цепи к копированию, помогая избежать ошибок.
Хотя ошибки редки (1 на миллион пар оснований), одна ошибка, проскользнувшая мимо механизмов репарации, может создать последовательность ДНК, которая, выжив, может стать устойчивой к лекарствам и превратиться в супербактерию. Поэтому понимание роли SSB критически важно для изучения болезней и антимикробной резистентности.
Предыдущие исследования использовали короткие цепи ДНК и SSB изолированно. Исследователи Molecular Horizons впервые извлекли активную реплисому из бактерии E. coli, чтобы визуализировать с разрешением на уровне одной молекулы поведение SSB во время реальной репликации ДНК.
«Мы сделали нечто подобное с реплисомой. Мы взяли одну молекулу ДНК и с помощью высокого разрешения можем собрать генетическую информацию и визуализировать процессы, которые иначе были бы скрыты», — объясняет доктор Спэнкелинк.
Результаты, опубликованные в журнале Nucleic Acids Research, бросают вызов представлению о репликации ДНК как о единообразном процессе и впервые детально показывают, как SSB работает во время репликации.
«Мы видим реальность пластичности реплисомы, — говорит директор Molecular Horizons профессор Антуан ван Ойен. — Если ей не хватает ресурсов, она изо всех сил удерживает SSB, перерабатывая их. Если SSB в изобилии, они легко высвобождаются в цитозоль после репликации. Реплисома может легко переключаться между этими двумя состояниями в зависимости от концентрации SSB».
Следующий этап — проверить, происходит ли подобное в дрожжах, которые биологически сложнее E. coli, но, имея клеточное ядро, больше похожи на человеческие клетки. Это даст ключи к молекулярным механизмам формирования антимикробной резистентности.
«С помощью современных методов визуализации мы можем видеть, как пытаются воссоединиться разорванные цепи, как копируются ошибки и как возникают мутации — всё это потенциальные факторы устойчивости к антимикробным препаратам», — говорит профессор ван Ойен. — «Как только мы узнаем элементы головоломки, мы сможем разрабатывать лекарства, специфично взаимодействующие с молекулами, чтобы преодолеть устойчивость и потенциально избежать хронических заболеваний».