Путь обхода повреждений ДНК в процессе репликации экспериментально подтверждён
Повреждения ДНК — очень частое явление (около миллиона отдельных молекулярных повреждений на клетку в день), поскольку её длинные цепи часто теряют основание или повреждаются. Эти повреждения могут останавливать процесс репликации ДНК, что может привести к гибели клетки. Чтобы этого избежать, существуют несколько путей обхода повреждений для продолжения репликации. Один из этих процессов был полностью воспроизведён in vitro с использованием методов манипуляции одиночными молекулами в исследовании, опубликованном сегодня в Science под руководством исследователя из Университета Барселоны Марии Маньосас.
«Этот путь был предложен в семидесятых годах, и теперь мы смогли доказать его на бактериофаге с помощью манипуляции одиночными молекулами, что, в отличие от традиционных биохимических методов, работающих с большим количеством молекул, позволяет изучать, как белок работает с молекулой в реальном времени», — объясняет Маньоса, профессор кафедры фундаментальной физики UB.
Для изучения одиночной молекулы использовались магнитные пинцеты — техника, заключающаяся в закреплении шпильки ДНК между стеклянной поверхностью и магнитной бусиной. Магнитная система генерирует поле, позволяющее манипулировать бусинами и создавать магнитные силы. Эта система может измерять изменения длины цепей ДНК путём отслеживания магнитных бусин. По словам Маньосас, «активность белков на ДНК можно определить по изменениям длины молекулы. Изменения происходят из-за работы белков».
Стратегия переключения матрицы
В процессе репликации ДНК две цепи, служащие матрицей для синтеза комплементарной цепи, разделяются, и новая комплементарная цепь присоединяется к каждой из исходных, чтобы получить две идентичные копии исходной молекулы ДНК. В этом процессе участвуют полимеразы — семейство ферментов, осуществляющих все формы репликации ДНК. Когда в одной из двух производных цепей есть повреждение (особенно в лидирующей цепи), полимераза останавливает синтез оснований, и процесс репликации тормозится. «Остановка этого процесса может повлечь проблемы в росте клетки», — объясняет Маньоса. «Когда репликационный механизм (реплисома) разбирается, начинается изучаемый процесс обхода», — отмечает автор, член центра CIBER-BBN и исследователь Университета Парижа.
Изучаемый процесс начинается с действия белка хеликазы (UvsW), который способствует связыванию цепей ДНК — явлению, называемому гибридизацией ДНК. Этот белок также способен построить промежуточную структуру (Холлидеевское соединение), используя в качестве модели неповреждённую реплицированную цепь, и вместе с действием полимеразы вернуть систему в исходную точку после «прыжка» через повреждение, а затем перезапустить процесс репликации ДНК. «Таким образом, информация, утраченная при повреждении одной цепи, может быть восстановлена из другой неповреждённой цепи, которая выступает в качестве резервной копии; этот процесс называется "стратегией переключения матрицы". В исследовании мы также наблюдали механизмы регуляции этого пути, а также скорость отжига хеликазы UvsW — 1500 оснований в секунду, одну из самых высоких известных», — заключает Маньоса.
Ремонт ДНК важен при большом числе заболеваний. Более глубокое знание этих явлений позволит воздействовать на некоторые белки со схожими функциями у человека. Маньоса работает в этом направлении; она проводит исследование человеческого белка HARP, чтобы понять, как он работает, поскольку известно, что он играет важную роль в сохранении генома, а его дисфункция связана с некоторыми типами рака.