Механизм защиты от ошибок при репарации ДНК

Исследователи из KAUST под руководством Самира Хамдана впервые визуализировали на уровне единичных молекул последовательность событий, обеспечивающую успешное разрешение структур Холлидея. Наблюдение за процессом в реальном времени позволило команде получить новую информацию об этом важном механизме.

Структуры Холлидея — это крестообразные структуры ДНК, которые образуются при разделении двух двухцепочечных молекул ДНК на четыре цепи для обмена сегментами генетической информации. Этот обмен необходим для исправления ошибок в ДНК, возникающих во время митотического или мейотического деления клеток, а также ошибок, вызванных факторами окружающей среды, такими как ионизирующее излучение.

Белки, которые создают симметричные разрывы в цепях, расположенных напротив друг друга в структуре Холлидея, восстанавливают целостность ДНК и позволяют рекомбинированным цепям разделиться. Известно несколько механизмов, опосредующих этот процесс — разрешение структур Холлидея, — которые обеспечивают завершение репарации ДНК. Генетические мутации, влияющие на этот процесс, связаны с предрасположенностью к раку и геномной нестабильностью, что приводит к аномально высокому уровню мутаций.

Эндонуклеаза I (GEN1) — это цитозольный белок, который может связываться со структурами Холлидея при разрушении ядерной оболочки во время клеточного деления. Ранее было показано, что GEN1 образует димеры для разрезания структур Холлидея, но точный механизм, гарантирующий их полное разрешение, оставался неясным.

Используя метод FRET для единичных молекул (smFRET), авторы смогли визуализировать взаимодействие человеческого белка GEN1 со структурами Холлидея в реальном времени. Учёные впервые увидели, что мономер GEN1 искажает структуру Холлидея и остаётся прочно связанным с ней до тех пор, пока не сформируется димер GEN1. Только после образования димера происходит разрезание структуры.

Исследование также показало, что мономер GEN1 связывается с частично разрезанными структурами Холлидея с аффинностью в 40 раз выше, чем с интактными. Это биологически значимо, поскольку предполагает, что функция мономера GEN1 — защищать как интактные, так и частично разрезанные структуры Холлидея до их полного разрешения непосредственно перед завершением клеточного цикла.

Дальнейшее изучение механизмов, с помощью которых GEN1 разрезает не только структуры Холлидея, но и другие структуры ДНК, может раскрыть более широкую роль этого белка в сохранении целостности генома и защите от рака.