Фермент для чтения генов разрушает и восстанавливает структуры ДНК на своем пути

Исследователи RIKEN показали, как фермент, считывающий гены, умудряется разбирать бусообразные структуры ДНК и собирать их заново с высокой скоростью, не нарушая целостности геномной организации. Результаты, опубликованные в Science, могут помочь в разработке новых методов лечения таких заболеваний, как рак.

Эукариотические клетки упаковывают огромное количество ДНК в крошечное пространство. Один из способов — это бусообразная структура хроматина, смеси ДНК и белков, составляющих хромосомы. «Бусины» — это комплексы ДНК, известные как нуклеосомы.

Хотя эта структура компактна, нуклеосомы представляют проблему для фермента, транскрибирующего ДНК, — РНК-полимеразы II, которая отвечает за преобразование генетической информации из ДНК в матричную РНК. Ей необходимо пройти через нуклеосомы, не изменяя их структуру. Но как именно она этого добивается, было неясно.

Команда под руководством Шун-ити Сэкине из Центра динамических исследований биосистем RIKEN показала, что РНК-полимераза II сначала разрушает, а затем восстанавливает нуклеосомы. Этот процесс позволяет ферменту получать доступ к геномным последовательностям, гарантируя, что эпигенетические детали в структурах не будут утеряны.

Чтобы выяснить, как РНК-полимераза II обходит препятствия-нуклеосомы на своем пути, команда использовала криоэлектронную микроскопию — мощный метод визуализации, который может показать форму биомолекул с атомарным разрешением. Они получили снимки структуры полимеразы в шесть моментов времени, когда она проходила через нуклеосому.

Снимки «до», «во время» и «после» показали, как полимераза с помощью нескольких белков, известных как факторы элонгации, сначала разрушает нуклеосому. Это позволяет ей считывать последовательности ДНК, которые в противном случае слишком плотно упакованы внутри нуклеосом и недоступны для фермента. После транскрипции полимераза и её партнёрские факторы затем восстанавливают нуклеосому с помощью дополнительного белка под названием FACT, который играет роль в сохранении архитектуры хроматина.

«Наше исследование впервые показывает, что РНК-полимераза II разбирает нуклеосому перед собой и собирает её за собой с помощью множества других факторов», — говорит Сэкине. «В результате фермент может пройти через нуклеосому и продолжить транскрипцию, как будто ничего не произошло».

Эти результаты помогут получить новое представление о таких заболеваниях, как рак, которые связаны с нарушением регуляции транскрипции генов из-за дефектов в ремоделировании нуклеосом.

«Знания, полученные в этом исследовании, могут помочь продвинуть исследования механизмов заболеваний и старения, вызванных нарушением регуляции транскрипции и структуры хроматина», — говорит Харухико Эхара, также из BDR.