Включение и выключение функций ДНК светом

ДНК — основа жизни на Земле. Её функция — хранить всю генетическую информацию, необходимую организму для развития, функционирования и размножения. По сути, это биологическая инструкция, находящаяся в каждой клетке. Биохимики из Мюнстерского университета разработали стратегию контроля биологических функций ДНК с помощью света. Это позволяет исследователям лучше понимать и контролировать процессы, происходящие в клетке, например, эпигенетику — ключевое химическое изменение и регуляторный механизм в ДНК. Результаты опубликованы в журнале Angewandte Chemie.

Функции клетки зависят от ферментов — белков, осуществляющих химические реакции. Они помогают синтезировать продукты метаболизма, копировать молекулы ДНК, преобразовывать энергию для активности клетки, изменять ДНК эпигенетически и расщеплять определённые молекулы. Команда под руководством профессора Андреа Рентмайстер из Института биохимии использовала так называемую ферментативную каскадную реакцию, чтобы лучше понять и отследить эти функции. Эта последовательность последовательных реакционных шагов с участием разных ферментов позволяет переносить на ДНК так называемые фотокейджинг-группы — химические группы, которые можно удалить с помощью облучения светом. Ранее исследования показывали, что на ДНК, РНК или белки можно было селективно переносить только небольшие остатки (малые модификации, например, метильные группы).

«В результате нашей работы теперь можно переносить более крупные остатки или модификации, такие как упомянутые фотокейджинг-группы», — объясняет Нилс Клёкер, один из ведущих авторов исследования и аспирант Института биохимии. Совместно со структурным биологом профессором Даниэлем Кюммелем также удалось объяснить основу изменённой активности на молекулярном уровне.

Используя так называемый протеин-инжиниринг (метод, за который в 2018 году была присуждена Нобелевская премия), исследователи модифицировали один фермент в каскаде, что позволило включать и выключать функции ДНК с помощью света. С помощью протеин-дизайна удалось расширить субстратный спектр ферментов — в данном случае метионин-аденозилтрансфераз (MAT). В работе исследователи изучили два MAT. Проведённые модификации дают отправную точку для разработки других MAT с расширенным субстратным спектром. «Комбинирование этих MAT с другими ферментами имеет потенциал для будущих клеточных приложений. Это важный шаг для использования in-situ генерируемых ненатуральных веществ для других ферментов в эпигенетических исследованиях», — говорит Андреа Рентмайстер.