ДНК-моторы могут менять направление движения, меняя представления о генетике
Учёные из Делфта, Вены и Лозанны обнаружили, что белковые машины, формирующие нашу ДНК, могут менять направление движения. До сих пор исследователи полагали, что эти так называемые SMC-моторы, создающие петли в ДНК, могут двигаться только в одном направлении. Это открытие, опубликованное в Cell, является ключевым для понимания того, как эти моторы формируют наш геном и регулируют наши гены.
«Иногда клетке нужно быстро изменить, какие гены должны экспрессироваться, а какие — выключаться, например, в ответ на пищу, алкоголь или тепло. Чтобы включать и выключать гены, клетки используют моторы структурного поддержания хромосом (SMC), которые действуют как переключатели, соединяя разные части ДНК», — объясняет первый автор Роман Барт.
«Однако SMC-машины изначально не знают, какие части соединять. Они просто загружаются где-то на ДНК и начинают формировать её в петлю, пока не достигнут точки, где вынуждены остановиться. Вот почему они в значительной степени полагаются на способность исследовать обе стороны ДНК, чтобы найти правильные "стоп-сигналы"».
Биофизики из Делфтского технического университета обнаружили, что SMC-моторы могут менять направление, вопреки прежним представлениям.
«Наши эксперименты показывают, что SMC-комплексы сначала тянут ДНК с одной стороны, а затем меняют направление, чтобы тянуть её с противоположной стороны. Таким образом, со временем они могут стягивать ДНК в петлю с обеих сторон. Мы обнаружили, что это верно для всех типов SMC-моторов, которых существует множество», — говорит профессор Делфта Сес Деккер, руководивший исследованием.
«Это можно сравнить с коробкой передач в автомобиле. С помощью ручного рычага переключения передач вы можете заставить машину двигаться вперёд или назад. Мы даже определили "рычаг переключения передач" — белковую субъединицу NIPBL — в SMC-моторе когезине».
Чтобы обнаружить «заднюю передачу» SMC-моторов, исследователи использовали усовершенствованный микроскоп собственной разработки для наблюдения за отдельными белками на отдельных молекулах ДНК. Это само по себе впечатляющее достижение.
Как объясняет Барт: «Одна клетка содержит миллионы белков, а человеческое тело состоит из триллионов клеток. Выделить несколько белков и иметь возможность "наблюдать" за ними по отдельности — это замечательное достижение нанотехнологий, связанное с визуализацией в масштабе нанометров — в 100 000 раз меньше ширины человеческого волоса».
«Как только мы поймём, как SMC-молекулярные моторы формируют ДНК, мы сможем начать задаваться вопросом, что идёт не так при таких заболеваниях, как рак и нейродегенеративные заболевания, и, что важно, как это исправить», — говорит Барт.
«Нейродегенеративные заболевания, например, могут быть результатом неправильной регуляции генов на ранних стадиях беременности. На самом деле существует несколько серьёзных заболеваний, таких как синдром Корнелии де Ланге, связанных с SMC-комплексами, где моторы, вероятно, не могут правильно переключаться внутри клеток эмбриона».
Исследование наконец разрешает путаницу в научном сообществе по поводу различных противоречивых теорий о том, как работают SMC-комплексы. Ранние исследования предполагали, что SMC могут двигаться строго только в одном направлении, в то время как другие исследования предполагали, что они тянут ДНК с обеих сторон одновременно.
Это открытие разрешает эти противоречия. Барт говорит: «Обнаружение общих черт среди SMC-моторов помогает сосредоточить и оптимизировать область исследований SMC. Нам больше не нужно искать новый механизм для каждого отдельного типа SMC-белка. Это также ускорит переход области к прикладной науке. Я был бы рад увидеть, как эти знания перейдут в фармацевтические компании, больницы и, в конечном итоге, в кабинеты врачей».