Физические механизмы изменения скрученности ДНК и РНК
Двойная спираль ДНК деформируется под действием факторов окружающей среды, что влияет на экспрессию генов и запускает клеточные процессы. Исследователи под руководством физика из Городского университета Гонконга (CityU) наблюдали значительные деформации ДНК, вызванные ионами и изменением температуры, и разработали простую физическую модель для их объяснения. Эти результаты дают новое представление о молекулярных механизмах клеточных реакций и могут быть использованы для контроля экспрессии генов с помощью ионов и температуры.
Влияние изменения скрученности ДНК на экспрессию генов
Исследование сосредоточено на изменении скрученности (twist) ДНК — ключевого структурного параметра двойной спирали. Увеличение угла скрученности (перекручивание) не только приводит к образованию суперспиралей ДНК, но и повышает энергетическую стоимость расплетания двойной цепи, тем самым подавляя экспрессию генов. Уменьшение скрученности (раскручивание), напротив, способствует экспрессии. «Активный контроль угла скрученности ДНК или суперспиралей используется бактериями для регуляции экспрессии генов», — пояснил доктор Дай Лян.
Наблюдение изменений скрученности ДНК в зависимости от соли и температуры
Эксперименты показали, что скрученность ДНК существенно меняется при варьировании концентрации соли и температуры. Скрученность увеличивается с ростом концентрации хлорида натрия (NaCl) и хлорида калия (KCl).
Разгадка механизма изменения скрученности
Исследователи разработали простую физическую модель, раскрывающую механизм соле-индуцированного изменения скрученности. «Мы обнаружили, что увеличение концентрации соли усиливает экранирование электростатического отталкивания между цепями, уменьшает диаметр ДНК и в конечном итоге увеличивает скрученность», — добавил доктор Дай.
Эта же модель количественно объясняет изменения скрученности, вызванные температурой. Аналитическая формула модели показала, что изменение скрученности ДНК при изменении температуры количественно совпадает с экспериментальными данными. Это означает, что два независимых явления — изменения, вызванные солью и температурой, — управляются одним и тем же механизмом.
Эксперимент подтвердил, что повышение температуры на 1°C вызывает уменьшение скрученности ДНК на 0.01 градуса на пару оснований. «Не стоит недооценивать эти "0.01 градуса". Такое малое изменение на пару оснований может накапливаться вдоль длинной молекулы ДНК, скажем, в 1 миллион пар оснований, и вызвать поворот на 10 000 градусов, что составляет около 28 полных оборотов и приводит к образованию сложной суперспирали», — сказал доктор Дай.
Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Унифицированный механизм для изменений скрученности ДНК и РНК, вызванных растяжением
В другом исследовании команда доктора Дая, профессора Чжана и профессора Тана Чжицзе решила многолетнюю загадку: как меняется скрученность ДНК или РНК при растяжении?
Учёные ожидали, что растяжение должно уменьшать скрученность ДНК. Однако эксперимент 2006 года показал неинтуитивную тенденцию: растяжение увеличивает скрученность ДНК. Позже, в 2014 году, другой эксперимент показал, что растяжение уменьшает скрученность РНК — противоположную тенденцию по сравнению с ДНК. «Это наблюдение очень удивительно, учитывая, что двуцепочечные РНК и ДНК имеют сходные структуры, но демонстрируют противоположные реакции», — отметил доктор Дай.
Тщательный анализ показал, что растяжение может как увеличивать, так и уменьшать скрученность как в ДНК, так и в РНК, в зависимости от состояния молекулы. «По сути, для ДНК и РНК при растяжении существует четыре сценария, в то время как предыдущие исследования наблюдали лишь некоторые из них», — заключил доктор Дай.
Команда предложила унифицированный механизм для объяснения всех четырёх сценариев. Растяжение канонической ДНК и сжатой РНК заставляет их сильнее скручиваться; с другой стороны, растяжение удлинённой ДНК и канонической РНК заставляет их меньше скручиваться.
Эти результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.