Гибкие «слинки» в ДНК архей
Новые изображения, полученные с помощью криоэлектронной микроскопии, показывают, что археи упаковывают свой хроматин в тугие спирали, которые могут раскрываться, образуя неожиданные изгибы.
У некоторых одноклеточных организмов ДНК скручивается, как пружина, и раскрывается, как книга.
Микробы под названием археи упаковывают свой генетический материал в гибкие структуры, которые раскрываются необычным образом, сообщила 2 марта 2021 года в журнале eLife исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) Каролин Люгер. «К нашему большому удивлению, мы обнаружили, что эти структуры могут совершать всевозможные гимнастические трюки», — говорит Люгер, биохимик из Университета Колорадо в Боулдере.
Как и ДНК в ядре человеческих клеток, ДНК архей наматывается на белки, как нить на йо-йо. Но команда обнаружила ещё один поворот. Эти спирали ДНК могут также расходиться на 90 градусов — явление, которого учёные раньше не наблюдали. Люгер предполагает, что такие изгибы в пружиноподобных структурах потенциально могут позволить белкам архей подбираться к ДНК и включать или выключать гены. (Учёные пока не понимают, какую роль играют эти «слинки», говорит она.)
Неизвестно, происходит ли подобное в ДНК других форм жизни, говорит молекулярный биолог Стив Хеникофф, исследователь HHMI из Онкологического исследовательского центра Фреда Хатчинсона, не участвовавший в работе. Но, по его словам, работа команды «несомненно, представляет убедительные доводы в пользу нового и интересного способа получения доступа к ДНК».
Наряду с эукариотами и бактериями, археи являются одним из трёх доменов жизни. Эти микробы — выживальщики; они обитают в самых экстремальных условиях, включая глубоководные гидротермальные источники, достаточно горячие, чтобы вскипятить воду, и насыщенные солью солёные озёра. Но учёные также узнают, что археи более широко распространены. «Вы можете буквально выскрести их из грязи в трещине тротуара», — говорит Люгер.
В 2017 году команда Люгер обнаружила, что археи изгибают свою ДНК почти так же, как это делают люди и другие сложные организмы. Люди, растения, животные и грибы наматывают ДНК на белки, называемые гистонами. Это упаковочный трюк, который помогает клеткам запихивать длинные нити ДНК — до двух метров у человека — в ядро.
Это открытие намекало, что упаковка генома могла зародиться у архей — организмов, лишённых ядер. Эксперименты по определению кристаллической структуры показали, что ДНК и белок архей образуют характерные спирали, похожие на слинки. Но кристаллические структуры дают лишь моментальный снимок в неестественной среде, говорит ведущий автор исследования Сэм Бауэрман, также из Университета Колорадо в Боулдере. «Вопрос был в том, существуют ли эти слинки на самом деле в растворе? Растягиваются ли они и изгибаются?»
Команда решила выяснить, как ведёт себя ДНК архей в среде, более похожей на внутреннюю часть клетки. Компьютерное моделирование предполагало, что спирали ДНК могут немного расходиться, но «мы предполагали, что они просто образуют очень длинные, непрерывные слинки», — говорит Бауэрман.
Современная крио-ЭМ, разновидность электронной микроскопии, позволила исследователям изучить ДНК архей в различных растворах. Люгер говорит, что эти эксперименты изначально задумывались как учебный проект для Бауэрмана, физика, чтобы он изучил биохимию и структурную биологию. Но как только они увидели результаты, «мы поняли, что наткнулись на что-то неожиданное и странное», — говорит она.
В некоторых случаях ДНК скручивалась именно так, как ожидалось. В других спирали драматически изгибались, раскрываясь, как раковина моллюска. Изгиб ДНК-слинки таким образом может обнажать определённые гены архей, которые клетка затем могла бы включать или выключать. Это было бы разительным контрастом с тем, что происходит у сложных организмов, которые вместо этого используют специализированные белки для распаковки геномной ДНК и получения доступа к определённым генам.
Бауэрман отмечает, что эту идею ещё необходимо подтвердить в исследованиях клеток архей, а не ДНК в растворе. Команда также хочет выяснить, насколько распространено явление этих гибких ДНК-слинков. Изучение странных организмов, таких как археи, может помочь учёным ответить на вопросы о многоклеточной жизни, говорит Люгер. «Для получения фундаментальных знаний иногда важно заглянуть через забор и посмотреть, что делают соседи».