Как фермент хеликаза буквально "расстёгивает" ДНК: физики раскрыли механизм

Исследователи из Корнеллского университета изучили, как фермент хеликаза разделяет две цепи ДНК, что важно для понимания репликации.

Хеликазы — это моторные белки, которые перемещаются по двуцепочечной ДНК, заставляя цепи расходиться. Однако точный механизм координации отдельных субъединиц фермента и физического разделения цепей оставался загадкой.

Группа под руководством Мишель Ван, профессора физики и исследователя Медицинского института Говарда Хьюза, использовала метод оптического пинцета. Учёные манипулировали отдельными молекулами ДНК, чтобы наблюдать за взаимодействием с хеликазой бактериофага T7 E. coli, которая имеет шесть субъединиц и является репрезентативной моделью.

Ранее считалось, что предпочтительным "топливом" для этой хеликазы является нуклеотид dTTP, а ATP (аденозинтрифосфат) — основной энергетический молекула в организмах — якобы не вызывает расплетания. Новое исследование показало, что ATP действительно заставляет хеликазу работать, но в стандартных биохимических анализах этот эффект не регистрируется.

Причина в том, что с ATP хеликаза демонстрирует "проскальзывание": она движется назад по ДНК, затем вперёд, снова проскальзывает. В массовых (bulk) исследованиях этот шум маскирует сигнал от расплетания, но в кинетических наблюдениях за единичными молекулами эффект стал виден.

Учёные обнаружили, что даже очень малые количества dTTP, смешанные с большим количеством ATP, резко снижают проскальзывание. Оказалось, что пока две субъединицы хеликазы связывают и высвобождают нуклеотиды, остальные четыре могут оставаться связанными, чтобы "якорить" фермент на ДНК. Достаточно одной субъединицы, связанной с dTTP, чтобы почти полностью предотвратить проскальзывание.

Значение исследования:

• Работа даёт фундаментальное понимание координации субъединиц хеликаз — процесса, необходимого для всей жизни.
• Дефекты хеликаз связаны с предрасположенностью к раку, преждевременным старением и другими генетическими нарушениями.
• Исследование демонстрирует мощь методов single-molecule studies для решения давних биологических вопросов.