Белки общаются через ДНК как по «проводу»
Исследователи из Института Вейцмана обнаружили, что белки могут общаться через молекулу ДНК, ведя «диалог» на расстоянии, который работает как генетический «переключатель». Связывание белков с одним участком ДНК может физически влиять на другой участок связывания в отдалённой точке, и этот «эффект соседа» активирует определённые гены. Ранее такое наблюдали в искусственных системах, но это исследование впервые показывает, что процесс происходит в ДНК живых организмов.
Команда под руководством доктора Хагена Хофмана изучала почвенную бактерию Bacillus subtilis. Некоторые из этих бактерий могут поглощать фрагменты бактериальных генов из окружающей среды. Эта способность зависит от белка ComK (транскрипционного фактора), который связывается с ДНК, чтобы активировать гены, делающие поглощение возможным. Однако механизм активации был неизвестен.
Учёные исследовали бактериальную ДНК с помощью одномолекулярного FRET и криогенной электронной микроскопии, сосредоточившись на двух сайтах связывания для ComK.
Оказалось, что когда две молекулы ComK связываются с первым сайтом, это запускает сигнал, облегчающий связывание ещё двух молекул ComK со вторым сайтом. Сигнал передаётся между сайтами, потому что физические изменения после связывания первых белков создают напряжение, которое передаётся вдоль ДНК — подобно скручиванию верёвки с одного конца. Когда все четыре молекулы связаны с ДНК, преодолевается порог, и включается способность бактерии к поглощению генов.
«Мы с удивлением обнаружили, что ДНК, помимо хранения генетического кода, действует как кабель связи, передавая информацию на относительно большое расстояние от одного сайта связывания белка к другому», — говорит доктор Габриэль Розенблюм.
Манипулируя бактериальной ДНК, учёные выяснили детали дальней коммуникации. Для взаимодействия между двумя сайтами они должны находиться на определённом расстоянии друг от друга и быть ориентированы в одном направлении на спирали ДНК. Любое отклонение (например, увеличение расстояния) ослабляло связь. Последовательность генетических букв между сайтами почти не влияла на коммуникацию, тогда как разрыв ДНК полностью её прерывал, что подтверждает физическую природу передачи сигнала.
Понимание этих деталей может помочь в создании молекулярных переключателей заданной силы для различных применений, включая генную инженерию бактерий для очистки окружающей среды или синтез ферментов для лекарств.
«Дальняя коммуникация внутри молекулы ДНК — это новый тип регуляторного механизма, который открывает ранее недоступные методы для проектирования генетических схем будущего», — отмечает доктор Хофман.
Исследование опубликовано в Nature Communications.