Исследование кристаллов может разрешить загадку ДНК
Исследователи из Университета Райса обнаружили важную деталь в работе ферментов, копирующих ДНК, которая помогает понять, как в этом процессе возникают ошибки.
Изучение полимераз показало, что центральный ион металла, критически важный для репликации ДНК, также, по-видимому, участвует в мисинкорпорации — ошибочном включении нуклеотидов в новую цепь.
Наблюдение, опубликованное в Nature Communications, может помочь в поиске методов лечения генетических мутаций и связанных с ними заболеваний, включая рак.
Структурный биолог Ян Гао, аспирант Калеб Чанг и выпускница Кристи Ли Луо использовали метод кристаллографии с временны́м разрешением, чтобы проанализировать гибкие ферменты полимеразы в процессе быстрой сборки цепей ДНК из пула нуклеотидов C, G, A и T.
Все белки, участвующие в репликации ДНК, используют ионы металлов — магния или марганца — для катализа переноса нуклеотидов. Однако давним предметом спора было количество задействованных ионов — два или три.
Команда из Райса, кажется, разрешила этот спор, изучив полимеразу эта (eta). Это фермент транслезионного синтеза, защищающий от повреждений, вызванных ультрафиолетом. У людей с мутациями в гене poly-eta часто наблюдается предрасположенность к пигментной ксеродерме и раку кожи.
Типичные полимеразы имеют форму, напоминающую правую руку, с доменами:
- "ладонь" — удерживает активный центр,
- "пальцы" — замыкаются для взаимодействия с новой парой оснований,
- "большой палец" — связывает праймер/матрицу ДНК.
Кристаллография с временны́м разрешением позволила проанализировать белки, кристаллизованные на 34 промежуточных стадиях, и определить положение их атомов до, во время и после синтеза ДНК.
Исследование привело к теории, что в полимеразе эта:
- Первый из трёх ионов металла поддерживает связывание нуклеотида.
- Второй — ключевой для правильного позиционирования нуклеотида и праймера, стабилизируя связывание.
- Третий ион присоединяется только при корректной работе первых двух и завершает реакцию.
Этот процесс может быть универсальным для всех полимераз.
Учёные также отметили, что poly-eta содержит мотив, делающий её склонной к смещению праймера, что увеличивает вероятность ошибок включения нуклеотидов.
Ключевой вывод работы — демонстрация возможности метода кристаллографии с временны́м разрешением наблюдать весь каталитический процесс в атомарных деталях.