Учёные протестировали столкновения машин репликации ДНК
Молекулярные машины, работающие на ДНК, регулярно сталкиваются друг с другом. Новое исследование показывает, что ферменты, копирующие ДНК перед делением клетки (реплисомы), являются королями этой дороги: они отталкивают в сторону машины, выполняющие менее критичные задачи, например, транскрибирующие инструкции для синтеза белков.
Ферменты, движущиеся вдоль ДНК для её копирования или транскрипции, не координируются центральным диспетчером и часто сталкиваются. Исследователи из Университета Рокфеллера обнаружили, что когда машины для копирования ДНК сталкиваются лоб в лоб с белками, выполняющими менее важные задачи, они отталкивают препятствие и продолжают путь. Открытие, опубликованное 29 января в журнале Science, раскрывает новые детали «правил дорожного движения», помогающих клеткам точно копировать генетический материал.
Перед делением клетки используют сложные белковые машины — реплисомы — чтобы раскрутить и разделить двойную спираль ДНК. Реплисома движется с высокой скоростью по тому же пути, что и РНК-полимеразы, транскрибирующие ДНК в матричную РНК. Иногда эти конвои движутся навстречу друг другу, и столкновения неизбежны.
Чтобы выяснить, что происходит при столкновении, Майкл О’Доннелл и его коллега Ричард Померанц воссоздали клеточное ДТП в пробирке. Они разработали систему, позволившую собрать реплисому из бактерии Escherichia coli на одном конце нити ДНК и направить её на встречный курс с остановившейся РНК-полимеразой. Учёные обнаружили, что машина репликации ДНК смогла скопировать всю длину молекулы, несмотря на препятствие. Анализ показал, что реплисома останавливается при встрече с РНК-полимеразой, сталкивает её с ДНК и затем продолжает движение.
В повторных экспериментах с добавлением белка репарации транскрипции Mfd, который помогает устранять застрявшую транскрипционную машину, реплисома создала ещё больше полных копий ДНК. Это говорит о том, что Mfd также помогает вытеснить РНК-полимеразу.
Дефицит белков, связывающих репарацию с транскрипцией, таких как Mfd, вызывает редкое врождённое рецессивное заболевание — синдром Коккейна. Эксперименты иллюстрируют новую роль Mfd: он позволяет реплисоме преодолевать блокировку РНК-полимеразой и эффективно копировать ДНК, что может иметь значение для понимания этого расстройства.
Исследование также подтверждает, что реплисома устойчива и не разваливается при столкновении с препятствием. «Реплисома очень стабильна. Она просто стоит на месте, пока в итоге не побеждает», — говорит О’Доннелл. Биологически оправдано давать реплисоме приоритет: потеря РНК-транскрипта не страшна, но последствия были бы ужасны, если бы реплисома разваливалась при каждой встрече с РНК-полимеразой.
Эксперименты продолжают линию исследований, впервые описанную О’Доннеллом и Померанцем в Nature в 2008 году, где изучалось, что происходит, когда реплисома догоняет остановившуюся РНК-полимеразу сзади. В той работе учёные обнаружили, что реплисома вытесняет РНК-полимеразу, но использует матричную РНК для продолжения синтеза ведущей нити.
О’Доннелл теперь ищет другие факторы, кроме Mfd, которые помогают реплисоме преодолевать блокировки, а также хочет выяснить, ведёт ли себя реплисома в эукариотических клетках (например, дрожжей или млекопитающих) аналогично изученному бактериальному комплексу.