Исследование показывает, как ДНК находит свою пару

Более 50 лет назад Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик показали, что ДНК представляет собой двойную спираль из двух комплементарных цепей. Но как короткий фрагмент ДНК находит свою точную пару среди миллионов «букв» даже в небольшом геноме? Новая работа исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе, изучавших отдельные молекулы ДНК, раскрывает этот механизм. Результаты опубликованы онлайн 8 февраля в журнале Nature.

Дефекты репарации и копирования ДНК тесно связаны с раком, врожденными дефектами и другими проблемами.

Ключевой механизм поиска

Первый шаг в репарации поврежденного двухцепочечного участка ДНК с помощью процесса, называемого гомологичной рекомбинацией, — это разделение его на одноцепочечную форму. Затем эта одноцепочечная ДНК ищет комплементарную последовательность в интактной хромосоме, чтобы использовать её в качестве матрицы для починки.

В 1970-х годах учёные обнаружили белок RecA у бактерий (и его аналог Rad51 у человека), который связывается с одноцепочечной ДНК, формирует обширную нитевидную структуру (филамент) и направляет её к нужному участку хромосомы.

Эксперимент с одной молекулой

Энтони Форже и Стивен Ковальчиковский использовали технологию, разработанную в лаборатории Ковальчиковского за последние 20 лет, чтобы улавливать фрагменты ДНК и в реальном времени наблюдать за работой белков репарации.

В эксперименте отдельные молекулы двухцепочечной ДНК растягивали между двумя микроскопическими бусинами, образуя «гантель». Затем к этой конструкции добавляли комплекс RecA с одноцепочечной ДНК и наблюдали, насколько эффективно он связывается с мишенью, когда ДНК растянута или, наоборот, расслаблена и свернута в клубок.

Результат: эффективность в «клубке»

Оказалось, что комплекс RecA наиболее эффективно связывается с целевой ДНК, когда она находится в расслабленном, свернутом состоянии.

«Самый эффективный поиск гомологии происходит, когда локальная плотность ДНК выше, и филамент RecA-ДНК может одновременно контактировать с большим количеством участков двухцепочечной ДНК», — пояснил Стивен Ковальчиковский. — «RecA не скользит вдоль ДНК в поисках партнера».

Аналогия и значение

Процесс можно сравнить с поиском конкретного участка в тарелке спагетти: если спагетти свернуты, можно одновременно захватить и проверить несколько нитей. Если же они вытянуты в одну линию, можно касаться только одной части за раз.

Этот механизм — «решение одной из величайших задач поиска иголки в стоге сена в биологии», как отметил профессор Вольф-Дитрих Хайер, не участвовавший в исследовании.

Дефекты в системе репарации с участием Rad51 (человеческий аналог RecA) несовместимы с жизнью эмбриона. Белок BRCA2, мутации в котором сильно повышают риск рака молочной железы, как раз помогает загружать Rad51 на ДНК для поиска правильного участка для репарации в человеческом геноме.