Первые шаги в танце репликации ДНК человека запечатлены в атомном разрешении
В журнале eLife команда биологов под руководством профессора CSHL и исследователя HHMI Лимора Джошуа-Тора и президента CSHL профессора Брюса Стиллмана опубликовала изображения в атомном разрешении многокомпонентного белкового комплекса, выполняющего самый первый шаг в репликации генома. Это комплекс распознавания начала репликации (ORC) человека в активной фазе.
Как работает ORC
- Комплексы ORC самособираются в ядре клетки и связываются со специфическими участками (оригинами репликации) на двойной спирали хромосом.
- В клетках человека ORC собирается на тысячах таких участков по всему геному, формируя пререпликационный комплекс (pre-RC).
- Для активации и рекрутирования "моторного" белка, раскручивающего двойную спираль, ORC использует энергию АТФ (аденозинтрифосфата).
Структура в деталях
Используя методы структурной биологии — рентгеновскую кристаллографию и криоэлектронную микроскопию (cryo-EM) — команда показала:
- В активной фазе субкомплекс из субъединиц ORC1, ORC2, ORC3, ORC4 и ORC5 связывает несколько молекул АТФ, образуя частичное кольцо.
- АТФ также используется для рекрутирования белка CDC6, который преобразует открытое кольцо в закрытое.
- ДНК проходит через центр этого кольца, как болт через гайку.
- "Моторный модуль" ORC, состоящий из субъединиц ORC1, ORC4 и ORC5, стабилизируется только при связывании с АТФ.
Решение загадок и связь с болезнями
Высокое разрешение изображений помогло понять:
- Связывание с ДНК: как кольцевая структура ORC snugly (плотно) обхватывает двойную спираль.
- Использование АТФ: как энергия гидролиза АТФ используется для "запирания" белкового кольца на ДНК.
- Причины заболеваний: как мутации в белках комплекса
ORC приводят к болезням человека, например, синдрому Мейера-Горлина.
- Одна из изученных мутаций полностью отключает активность АТФ, что нарушает функцию ORC и приводит к тяжелой карликовости (нанизму) и микроцефалии.
- Другая мутация делает "моторный модуль" ORC1,4,5 сверхактивным, но в полном комплексе с ORC2,3 снижает общую активность ниже нормы.
Эволюционный взгляд
Новые изображения показывают, что ORC у примитивных дрожжей и сложных организмов, таких как человек, "поразительно схожи" в ключевых аспектах, несмотря на различия в стабильности во время клеточного деления.
- Оба комплекса высоко гомологичны другим АТФ-зависимым машинам, которые также загружают кольцеобразные белки на ДНК, например, загрузчикам ДНК-полимеразных зажимов.
- Это показывает, что молекулярные машины, загружающие кольцевые белки на ДНК, были перепрофилированы для множества стадий репликации ДНК в ходе эволюции.