Молекулярное моделирование проливает новый свет на динамику суперскрученной ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) в клетках может подвергаться различным типам механического стресса, например, скручиванию или растяжению, что влияет на её структуру и динамику.

Исследователи из Йоркского университета изучили поведение ДНК под действием кручения и натяжения с помощью моделирования методом молекулярной динамики. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.

«Мы привыкли думать о ДНК как о расслабленной "идеальной" двойной спирали, но реальность далека от этого. Внутри клеток ДНК недокручена или перекручена, что приводит к образованию "суперскрученных" петель», — объясняет старший автор работы доктор Агнес Ной.

Суперскрученную ДНК сложно наблюдать экспериментально из-за её динамической природы. В более ранней работе учёные использовали комбинацию микроскопии и атомарного моделирования для изучения крошечных кольцевых ДНК. Они обнаружили, что недокрученная ДНК образует дефекты в виде пузырей (разделения двух цепей).

В новом исследовании команда смоделировала поведение более длинных, линейных молекул ДНК, подобных геномным. Они разработали подходы для моделирования суперскрученной ДНК без необходимости замыкания её в кольцо, воспроизводя экспериментальные условия с контролируемым кручением и натяжением на концах молекулы.

Ключевые выводы:

• ДНК формирует пузыри легче, чем предполагалось ранее. Для этого достаточно только изменений в кручении, без обязательного растяжения.
• Это особенно характерно для AT-богатых последовательностей, так как пара оснований аденин (A)-тимин (T) менее стабильна, чем пара цитозин (C)-гуанин (G).
• Пузыри (разделение цепей) необходимы для считывания генетической информации.

«Наши находки означают, что генетическую информацию считывать легче, чем считалось ранее, и что последовательность [ДНК] кодирует, какие её части наиболее доступны», — отмечает доктор Ной.

Это улучшит понимание того, как разворачиваются генетические программы, что поможет в диагностике и лечении заболеваний, а также в синтезе соединений методами синтетической биологии.

В дальнейших исследованиях доктор Ной планирует изучить участки генома, известные как промоторы, которые контролируют начало считывания генов. Формирование пузырей в промоторах строго регулируется, и понимание этого процесса позволит лучше изучить контроль над экспрессией генов.