ДНК «скра́нчинг» происходит, когда РНК-полимераза выбирает позицию для начала синтеза РНК
Исследовательская коллаборация, объединившая новые инструменты биоинформатики для работы с большими данными и экспертизу в фундаментальной биологии, раскрыла детали важнейшего процесса в жизни: как ключевой фермент находит на ДНК сайт, с которого начинает направлять синтез РНК. Это открытие может помочь в поиске новых противомикробных препаратов, а мощные технологические подходы, разработанные для этого исследования, могут пролить свет на другие важные клеточные процессы.
Группа биоинформатиков из Детской больницы Филадельфии (CHOP) сотрудничала с исследователями из Университета Рутгерса в исследовании, опубликованном онлайн в Science.
Исследование сосредоточено на транскрипции — процессе, в котором клетки считывают генетическую информацию, хранящуюся в ДНК, сначала синтезируя её копию в виде РНК. Фермент РНК-полимераза — это молекулярная машина, осуществляющая транскрипцию. Команда CHOP/Рутгерс определила, как РНК-полимераза находит сайт на ДНК, с которого начинается транскрипция.
Работая с бактериями, команда показала, что после связывания РНК-полимеразы с ДНК и частичного расплетения двух цепей двойной спирали, фермент продолжает их раскручивать, втягивая расплетённые цепи ДНК внутрь себя, пока не достигнет сайта инициации транскрипции (TSS). Исследователи называют этот процесс — расплетание ДНК и втягивание цепей — «DNA scrunching» (скра́нчинг ДНК).
Для обнаружения скра́нчинга ДНК во время выбора TSS исследователи разработали новые мощные экспериментальные подходы: MASTER («massively systematic transcript end readout») и MASTER-XL.
MASTER-XL сочетает технологию MASTER с сшивкой (кросслинкингом) — введением искусственных аминокислот в специфические сайты белков для сшивки с участками ДНК. Используя алгоритмы высокопроизводительного секвенирования, команда смогла точно и быстро определить эти сайты сшивки в миллионе различных последовательностей ДНК, каждая из которых содержала уникальный регион TSS. В каждой последовательности команда идентифицировала TSS, а также передний (leading edge) и задний (trailing edge) края, где РНК-полимераза связывалась с ДНК.
Алгоритмы для анализа больших данных, разработанные в CHOP, позволили быстро обработать многие миллионы прочтений последовательностей ДНК и РНК.
Ключевое открытие о том, как происходит скра́нчинг ДНК во время транскрипции: по мере изменения позиции TSS позиция переднего края РНК-полимеразы изменяется синхронно, а позиция заднего края фермента остаётся на месте. Это заставляет ДНК «скра́нчиться»: она остаётся закреплённой на РНК-полимеразе своим задним краем, но фермент расплетает прилегающую ДНК и втягивает её внутрь себя, пока не найдёт новый TSS.
Коллабораторы CHOP/Рутгерс теперь исследуют транскрипцию у более высокоорганизованных организмов, анализируя, происходит ли скра́нчинг ДНК при выборе TSS, и если да, то как он сравнивается с процессом у бактерий. Команда также надеется применить MASTER и MASTER-XL для анализа других важных клеточных процессов, таких как репликация ДНК.