Молекулярные ворота, которые могут запереть раковые клетки

В исследовании, опубликованном в Genes & Development, группа под руководством доктора Кристиана Шпека раскрыла сложные механизмы работы фермента, управляющего удвоением ДНК во время деления клетки. Используя синтетические, химические и структурно-биологические подходы, учёные выяснили, как ключевой фермент — хеликаза MCM2-7 — охватывает ДНК через систему «ворот», которые открываются в строго определённых позициях, обеспечивая высокорегулируемый процесс репликации. Эта работа углубляет понимание фундаментального биологического процесса и указывает возможный путь для остановки деления клеток при таких заболеваниях, как рак.

При делении клетки генетическая информация копируется в процессе репликации ДНК. Для этого на ДНК собирается «репликационная машина». Белковый комплекс ORC, узнающий стартовую точку репликации (ориджин), инициирует весь процесс. Затем фермент MCM2-7 (хеликаза), чья роль — расплетать двойную спираль ДНК, загружается на ДНК. Хеликаза имеет форму кольца, состоящего из шести субъединиц (гексамер), но как это кольцо открывается и окружает ДНК, до сих пор оставалось загадкой.

Первоначальные теории предполагали, что хеликаза существует в виде открытого кольца. Команда Шпека утверждала, что это привело бы к плохо регулируемой репликации. Используя электронную микроскопию, Цзинчуань Сун из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) показал, что, вопреки теориям, хеликаза существует в виде закрытого кольца.

Чтобы определить, между какими субъединицами кольцо открывается для захвата ДНК, команда создала химические сшивки, блокирующие открытие в различных позициях. Они обнаружили, что если заблокировать один конкретный интерфейс — между субъединицами MCM2 и MCM5, — ДНК не может проникнуть внутрь. Малые молекулы, такие как рапамицин, могут управлять этими сшивками, создавая молекулярный переключатель для контроля входа ДНК в кольцо MCM и последующей репликации.

«Как в наших экспериментах in vitro, так и in vivo, мы показали, что открытие интерфейса MCM2/MCM5 необходимо для загрузки хеликазы на ДНК», — объясняет Кристиан Шпек.

«Поле исследований давно знало, что ДНК может проникать в кольцо MCM2-7, но никогда не было уверено, какие именно субъединицы MCM используются для регулируемой загрузки. Разработав элегантный эксперимент, лаборатория Шпека окончательно показала, что MCM2-5 — это единственная точка входа для ДНК», — говорит соавтор Хуилинь Ли из BNL.

У эукариот хеликаза MCM2-7 формирует двойной гексамер (с другой копией MCM2-7) после загрузки на ДНК. В этом исследовании группа также разрешила давний спор о том, загружается ли хеликаза как одиночный гексамер, который затем димеризуется, или сразу как димер. Был сделан вывод, что хеликаза загружается как одиночный гексамер, и лишь затем формирует двойной.

Совместная работа, объединившая экспертизу в электронной микроскопии (BNL) и в химической биологии и генетике (Центр клинических наук MRC), дала ответы на ключевые вопросы, детализирующие процессы репликации ДНК.

«Наша работа направлена на понимание молекулярного механизма репликации ДНК на фундаментальном уровне. Однако наши выводы также могут иметь важные последствия, возможно, указывая новые пути борьбы с раком, поскольку удвоение ДНК — это первостепенная цель для ингибирования роста раковых клеток», — говорит Кристиан Шпек.