Команда разгадала тайну восстановления ДНК
При каждом делении клетки человека или бактерии сначала должна скопироваться её ДНК. Специализированные белки расплетают переплетённые цепи ДНК, а другие следуют за ними и строят новые цепи, используя оригиналы в качестве шаблонов. Когда эти белки сталкиваются с разрывом — а их много — они останавливаются и отступают, позволяя новой группе молекулярных игроков вступить в игру.
Учёные давно пытались понять, как один из этих игроков, репаративный белок RecA в бактериальных клетках, помогает разорванной ДНК найти способ восстановить разрыв. Было известно, что RecA направляет разорванную цепь ДНК к комплементарной последовательности на соседнем участке двухцепочечной ДНК, но механизм был неизвестен. В новом исследовании учёные сообщают, что определили, как белок RecA выполняет свою работу.
«Загадкой для учёных было: как повреждённая ДНК ищет и находит своего партнёра, комплементарную ДНК, чтобы восстановиться? — сказал профессор физики Университета Иллинойса Тэкджип Ха, руководивший исследованием. — Поскольку геномная ДНК имеет длину в миллионы оснований, эта задача похожа на поиск иголки в стоге сена. Мы нашли ответ, как клетка делает это так быстро».
Исследование описано в статье в журнале eLife. Ха является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI). Основное финансирование работы предоставил Национальный научный фонд (NSF).
Восстановление ДНК жизненно важно для здоровья и долголетия. Нарушения этого процесса могут привести к раннему началу болезней, связанных со старением или раком. Например, мутация BRCA2, связанная с раком груди, нарушает ген, участвующий в загрузке белка Rad51 (человеческого аналога RecA) на разорванную цепь ДНК для начала процесса репарации.
Предыдущие исследования показали, что у бактерий RecA образует филамент, который обвивает разорванную одноцепочечную ДНК. Как сваха, ищущая партнёра для одинокого танцора, он прочёсывает соответствующие цепи ДНК в поисках последовательности, идеально подходящей для спаривания с повреждённой цепью. Найдя её, повреждённая цепь встраивается и химически связывается со своим новым партнёром, вытесняя одну из целых цепей. Этот сложный молекулярный «квадратный танец» позволяет клетке вернуться к копированию своего генома.
«Мы хотели знать, как RecA помогает ДНК найти комплементарную последовательность в море геномной ДНК и как делает это так быстро», — сказал Ха.
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи использовали метод флуоресцентного резонансного переноса энергии (FRET), чтобы в реальном времени наблюдать взаимодействие белка RecA и ДНК. FRET использует флуоресцентные молекулы, сигналы которых меняют интенсивность в зависимости от близости друг к другу. Пометив одну цепь ДНК, связанную с RecA, и поставив другую метку на участок двухцепочечной ДНК, учёные могли видеть, как молекулы взаимодействуют.
Команда установила, что RecA, связанный с разорванной одноцепочечной молекулой ДНК, фактически скользит взад и вперёд по двухцепочечной молекуле ДНК в поисках совпадения.
«Мы обнаружили, что этот филамент RecA может скользить по двухцепочечной ДНК, охватывая последовательности длиной около 200 пар оснований, — сказал Ха. — Так одна цепь ДНК может быть заменена другой из другой дуплекса ДНК. Этот процесс называется "рекомбинацией"».
Это открытие объясняет, почему восстановление ДНК может происходить так быстро, отметил Ха.
«Мы провели расчёты, которые показали, что без этого процесса, который мы обнаружили, восстановление ДНК было бы в 200 раз медленнее, — сказал он. — Таким образом, ваша ДНК не восстанавливалась бы быстро, и повреждения накапливались бы, что могло бы привести к серьёзным заболеваниям».