Репликация генома начинается со скручивания, сжатия и своеобразного танца
Самый базовый процесс в живом организме — превратить одну копию своего генома в две, создав из одной клетки две. Это событие репликации начинается с набора белков — комплекса инициации репликации (Origin of Replication Complex, ORC). Поскольку некоторые виды рака и болезни развития связаны с белками ORC, структурным биологам необходимо увидеть, как работает комплекс, чтобы понять, как он может выйти из строя. Профессор Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (CSHL) и исследователь HHMI Лимор Джошуа-Тор с коллегами опубликовали в eLife детальные изображения человеческого ORC, показывающие, как он драматически меняет форму при сборке вокруг ДНК.
Учёные полагают, что первая часть комплекса — ORC1 — находит участок ДНК, с которого должна начаться репликация, и собирает остальные субъединицы ORC (2-5) в этом месте. В то время как у дрожжей одна и та же последовательность ДНК, разбросанная по геному, указывает на «старт», для примерно 30 000 стартовых сайтов у человека нет таких простых указателей. Наши стартовые сигналы загадочны. Джошуа-Тор говорит:
«Когда клетке нужно делиться, первое, что должно произойти, — это удвоение генома. И поэтому размещение ORC на этих так называемых "стартовых" сайтах — это действительно первое событие, которое должно произойти, чтобы начать удвоение генома. В бактериях обычно один стартовый сайт, потому что геном маленький, но в более крупных организмах, таких как люди, чтобы иметь возможность реплицировать такой большой геном, клетка использует множество стартовых сайтов. И интересно, что в системах млекопитающих мы на самом деле не понимаем, как выглядит стартовый сайт».
Ситуацию усложняет то, что ранее, изучая разные организмы, исследователи находили ORC разной формы. Но Джошуа-Тор и коллеги нашли объяснение этим вариациям. Части ORC скручиваются и сжимаются драматическим образом в зависимости от того, что они делают в данный момент. ORC дрожжей в основном «замирает» в одной стабильной форме, а ORC мухи — в другой. По словам сотрудника-учёного CSHL Кин Она, «дрожжевой комплекс настолько стабилен, что это монолит. Но сборка человеческого ORC очень динамична». Используя крио-электронную микроскопию (cryo-EM), методы подготовки образцов и компьютерного анализа, группа смогла зафиксировать человеческий ферментный комплекс во многих различных формах, включая одну, похожую на ORC мухи, и другую, похожую на ORC дрожжей. Они собрали серию изображений в фильм, показывающий широкий диапазон движений. Они даже получили первый снимок человеческого ORC, «оседлавшего» молекулу ДНК, что является ключом к пониманию того, как ORC выполняет свою работу. По словам постдока из лаборатории Джошуа-Тор Мэтта Джаремко, «ORC гибкий, что помогает белку взаимодействовать с ДНК».
ORC был открыт в CSHL в 1992 году президентом и CEO CSHL Брюсом Стиллманом, соавтором этого исследования.
Хотя лучшее понимание ORC может указать путь к улучшенным методам лечения рака и синдромов развития, Джошуа-Тор говорит, что есть и другая причина изучать эти прекрасные клеточные машины:
«То, как мы удваиваем наш геном, — это самый базовый процесс жизни, верно? На самом деле, жизнь именно об этом. Поэтому, независимо от того, как мы понимаем рак и этот синдром развития, понимание себя и понимание самого основного процесса — это часть человеческого стремления понять себя. Так что дело не только в практической пользе. Это действительно одно из основных устремлений человечества — пытаться понять жизнь и себя. Думаю, это большая часть того, почему мы это делаем. По крайней мере, большая часть того, почему это делаю я».