Динамические изгибы и петли позволяют ДНК модулировать свою функцию

Обычно ДНК представляют в виде нитевидной двойной спирали. В реальности ДНК в клетках находится в суперскрученном состоянии и упакована в петли. Известно, что суперскручивание и образование петель влияют на все аспекты активности ДНК, но механизм этого влияния оставался неясным.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что суперскручивание и образование петель могут передавать механическое напряжение вдоль остова ДНК. Это напряжение может способствовать разделению цепей двойной спирали в определённых удалённых участках, обнажая основания ДНК, что может облегчать репарацию, репликацию, транскрипцию или другие аспекты её функционирования.

Учёные начали с создания небольших суперскрученных фрагментов ДНК, подобных тем, что существуют в живых клетках. Они брали короткую линейную двойную спираль ДНК и скручивали её один, два, три или более раз — либо в направлении витка спирали (положительное суперскручивание), либо против него (отрицательное суперскручивание). Затем концы соединяли, образуя петлю.

В предыдущем исследовании с помощью криоэлектронной томографии (cryo-ET) были получены 3D-структуры суперскрученных мини-колец. Учёные наблюдали неожиданное разнообразие форм в зависимости от уровня суперскручивания. Многие формы содержали резкие изгибы ДНК.

«Мы обнаружили, что суперскрученная, замкнутая в петлю ДНК вместо плавного изгиба внезапно образует острые углы, которые вызывают нарушение структуры двойной спирали», — говорит доктор Линн Зехидрих. — «Образующиеся разрывы обнажают конкретный участок генетического кода, делая его доступным для белков, которые ищут определённые последовательности, чтобы взаимодействовать с ДНК, например, для её репарации или копирования».

Важным открытием стала идея «действия на расстоянии». Эффекты механического напряжения от суперскручивания в одном участке петли могут передаваться вдоль остова ДНК к удалённому участку. Например, если один участок резко изогнут, второй, далёкий от первого, также будет резко изогнут. Изучение линейной ДНК не позволяет уловить это явление.

Эти данные предлагают новый взгляд на регуляцию активности ДНК. Традиционно считается, что для разделения цепей двойной спирали требуются специализированные белки.

«Здесь мы показали, что для доступа к ДНК не нужен белок — она может сделать себя доступной самостоятельно», — отмечает Зехидрих.

Исследователи предполагают, что вариации этих новых форм ДНК могут иметь потенциальное применение в нанотехнологиях, например, в генной терапии.

«Наше исследование меняет представление о ДНК с пассивной биомолекулы на активную», — говорит соавтор Хильда Чан. — «Наши результаты стимулируют дальнейшую работу над тем, как ДНК может использовать свою форму для регулирования доступности к определённым последовательностям в различных ситуациях, например, в ответ на лекарства, инфекцию или на разных этапах клеточного цикла».