Ученые раскрыли универсальные механизмы деформации ДНК и РНК
ДНК и РНК, основные типы нуклеиновых кислот и строительные блоки жизни, подвержены влиянию окружающей среды, что может вызывать их деформацию, изгиб или скручивание. Эти изменения могут значительно влиять на регуляцию генов и функции белков, но их крайне сложно измерить традиционными методами.
Исследовательская группа под совместным руководством физика из Городского университета Гонконга (CityU) точно измерила изменение нуклеиновой кислоты, вызванное солью, изменением температуры и растягивающей силой. Их выводы, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, помогают раскрыть универсальные механизмы деформации ДНК и РНК.
Хотя деформации ДНК и РНК имеют большое биологическое значение, наше понимание их ограничено из-за сложности точных измерений и взаимодействий нуклеиновых кислот. Чтобы преодолеть эти трудности, команда из CityU и Уханьского университета использовала комбинацию экспериментов, моделирования и теорий для изучения универсальности деформаций.
Успех исследования основан на точном измерительном инструменте — магнитных пинцетах (MT). Это мощная экспериментальная техника в биофизике для изучения механических свойств биологических молекул. В эксперименте крошечная магнитная бусина прикрепляется к изучаемой молекуле, а магнитное поле управляет её положением.
Измеряя движение бусины, исследователи могут изучать механические свойства молекулы, такие как её эластичность, жёсткость и реакция на внешнюю силу. Это позволяет измерять крошечные изменения скрученности (твиста) ДНК и РНК, вызванные внешними стимулами. Даже небольшие изменения могут накапливаться вдоль длинной молекулы и вызывать значительное вращение её конца.
В экспериментах команда использовала магнитные пинцеты для точного измерения изменений твиста ДНК и РНК, индуцированных солью, температурой и растяжением.
Команда количественно определила константу связи твист-диаметр для ДНК и константу связи твист-бороздка для РНК и применила их для объяснения деформаций. Объединив эти данные с моделированием, теорией и предыдущими исследованиями, команда обнаружила, что механизмы деформации ДНК и РНК, вызванные солью, температурой и силой растяжения, управляются двумя общими путями:
- Для ДНК: связь твист-диаметр. Стимулы среды обычно сначала изменяют диаметр ДНК, что через сильную связь вызывает изменение твиста.
- Для РНК: связь твист-бороздка. Снижение концентрации соли или повышение температуры «раскручивает» РНК, потому что это увеличивает ширину её большой бороздки и вызывает уменьшение твиста.
Анализ данных других исследований по связыванию белков показал, что ДНК и РНК следуют тем же общим путям при деформации, индуцированной белком. Это говорит о том, что эти пути используются для снижения энергетической стоимости деформации и облегчения связывания белка.
Выводы предполагают, что физические принципы, лежащие в основе деформации нуклеиновых кислот, универсальны и применимы к разным типам кислот и внешних стимулов.
«Эти результаты можно применить для лучшего понимания упаковки ДНК в клетках и связанных с этим энергетических затрат. Они также дают представление о том, как белки распознают ДНК и РНК и вызывают деформации, что является ключевыми этапами экспрессии и регуляции генов», — сказал со-руководитель исследования профессор Дай Лян, доцент кафедры физики CityU.