Исследователи смоделировали движение "шайб", помогающих репликации ДНК

Зная структуру сложной биологической системы, недостаточно для понимания того, как она работает. Важно знать, как система движется.

В этом ключе исследователи из Университета Райса смоделировали ключевой механизм репликации ДНК.

Объединив структурные эксперименты и компьютерное моделирование, биоученый Ян Гао, теоретический физик Питер Уолинз, аспирант Шикай Джин и их коллеги раскрыли детали того, как хеликазы — семейство кольцеобразных моторных белков — управляют ДНК во время репликации. Их работа может выявить новые мишени для лекарств.

Синергия между экспериментами и крупномасштабным моделированием, описанная в Proceedings of the National Academy of Sciences, может стать парадигмой для изучения механизмов многих сложных биологических систем.

"Это динамические процессы, которые нельзя хорошо уловить только экспериментальными методами", — сказал Гао. "Но важно показать механизмы этих хеликаз, потому что они необходимы для репликации ДНК и также являются возможными мишенями для лекарств".

Гексамерные хеликазы имеют шесть сторон, которые самоорганизуются из пептидов в шайбообразное кольцо, разделяющее родительские двойные цепи ДНК на дочерние одиночные цепи. До сих пор исследователи не могли точно определить, как хеликаза шагает вдоль цепи, расплетая двойную спираль.

Моделирование в Райсе подтверждает идею, что ДНК-связывающие петли внутри шести субъединиц хеликазы образуют своего рода лестницу, которая движется вдоль остова ДНК, приводимая в действие гидролизом АТФ — процессом высвобождения запасенной химической энергии молекул АТФ.

Было известно, что АТФ связывается с NTPase-белками в каждой субъединице для обеспечения шагового движения. Но исследователи не понимали точно, что ключевую роль играет именно гидролиз. Команда Райса обнаружила, что АТФ прочно связывается с субъединицами хеликазы, но гидролиз значительно снижает энергетический барьер для диссоциации субъединицы, позволяя белку шагнуть вперед.

Исследователи отметили, что из-за большого размера комплекса хеликаза-ДНК было лишь несколько попыток смоделировать транслокацию хеликазы с одного конца цепи на другой. Гибрид двух методов крупнозернистого моделирования, использованный в Райсе, позволил изучить процесс от начала до конца.

Моделирование выявило несколько ранее неизвестных промежуточных состояний и определило взаимодействия, участвующие в дальнем перемещении хеликазы. Они показали, что каждый шаг транслокации может пройти более 12 нуклеотидов вдоль остова.

Для поиска механизма команда сосредоточилась на бактериофаге T7 — вирусе, заражающем бактерии, часто используемом в качестве модельной системы. Чтобы смоделировать его хеликазу, известную как gp4, исследователи объединили два силовых поля: AWSEM (изначально разработанное Уолинзом и его коллегами для предсказания сворачивания белков) и open3SPN2 (симулятор ДНК, разработанный молекулярным инженером Хуаном де Пабло из Чикагского университета). Силовые поля описывают силы, определяющие движение атомов и молекул при контакте. (Новое сочетание силовых полей было описано в статье Райса 2021 года в PLOS Computational Biology).

Оба силовых поля представляют собой крупнозернистые молекулярные модели на основе машинного обучения, которые используют только подмножество атомов системы, но все же дают точные результаты, значительно сокращая время вычислений.

"Объединение моделей позволило использовать ускорение на GPU, поэтому мы смогли сделать наше молекулярно-динамическое моделирование очень быстрым", — сказал Джин. "Объединенное программное обеспечение теперь в 30 раз быстрее, чем версии, которые мы использовали для других исследований".

Помогло и то, что T7 вдвое меньше хеликаз в клетках человека. "В человеческих системах в хеликазе шесть разных полипептидных цепей, а в T7 — одна и та же, которая делает шесть копий", — сказал он.

"Поскольку наша новая форма open3SPN2 работает с одной цепью ДНК, это позволяет нам анализировать процессы, в которых обычно двуцепочечная ДНК раскрывается, как это происходит в присутствии хеликазы", — сказал Уолинз. "Само силовое поле для одноцепочечной ДНК является новым, но в этом проекте оно было лишь фоном, который позволил нам изучить процесс в мельчайших деталях".

"Крио-ЭМ структуры, которые мы имеем для этих важных комплексов, физиологически точны, но эти системы динамичны", — сказал Гао. "Они должны двигаться, чтобы выполнять свою работу, и нам еще многое предстоит узнать о том, как они это делают. Именно здесь эти вычислительные модели могут внести большой вклад, и они, несомненно, будут адаптированы для других крупных систем, чтобы исследовать довольно важные вопросы".