Раскрыт механизм работы молекулярного двигателя, упаковывающего и распаковывающего ДНК

ДНК плотно упакована в ядре клетки. Тем не менее, клеточным механизмам необходим постоянный доступ к геномной информации. Команда из LMU раскрыла внутреннюю работу молекулярного двигателя из белков, который упаковывает и распаковывает ДНК.

Геномная ДНК высших организмов компактизирована в высококонденсированную форму, известную как хроматин. ДНК плотно намотана на множество крошечных гистоновых "катушек", называемых нуклеосомами. Например, одна человеческая клетка таким образом вмещает около двух метров ДНК. Однако гены должны постоянно транскрибироваться в матричные РНК для синтеза белков. Более того, вся ДНК должна реплицироваться перед делением клетки, а повреждения ДНК необходимо репарировать. Следовательно, должен существовать способ активного предоставления доступа к геному.

Здесь в игру вступают ремоделеры хроматина. Они играют важную роль, являясь молекулярными машинами: они распутывают и распаковывают сегменты ДНК, сдвигая нуклеосомные "катушки" вперед и назад, заменяя отдельные гистоны, высвобождая ДНК для транскрипции и, наконец, снова уплотняя её. Поскольку всё это происходит высокодинамично, ремоделеры хроматина позволяют клеткам быстро реагировать на изменения в окружающей среде — это справедливо как для пекарских дрожжей, так и для человеческих клеток. Опосредуя доступность генов, ремоделеры хроматина жизненно важны для развития и дифференцировки клеток; типы клеток определяются наборами экспрессируемых генов, а ремоделеры помогают определять клеточную идентичность.

Однако до сих пор очень мало известно о том, как выглядят белки-ремоделеры и как они выполняют свою работу. В молекулярном плане функциональные ремоделеры часто представляют собой очень крупные комплексы, состоящие из множества различных белковых компонентов, чьё скоординированное действие делает их похожими на молекулярные машины. Эти особенности также сильно затрудняют определение их детальной структуры. Но команда под руководством профессора Карла-Петера Хопфнера, заведующего кафедрой структурной молекулярной биологии в Генном центре LMU, использовала криоэлектронную микроскопию для реконструкции трёхмерной структуры ремоделера, сдвигающего нуклеосомы, — INO80 (который сам состоит из 15 субъединиц) — в комплексе с одной нуклеосомой. «Даже с инновационными подходами, лучшими доступными технологиями и интенсивной командной работой мы всегда работали на переднем крае», — говорит доктор Себастьян Ойстерманн, который определил молекулярную структуру комплекса на основе электронных микрофотографий тысяч отдельных комплексов.

Проанализировав изображения случайно ориентированных видов комплекса INO80 с нуклеосомой на электронных микрофотографиях, команда Хопфнера собрала его структуру с разрешением, которого редко удавалось достичь для хроматинового комплекса сопоставимого размера. Это позволило исследователям раскрыть сложное взаимодействие ремоделера с его субстратом — ДНК, намотанной на гистоны, — и понять, как работает вся машина.

С биохимической точки зрения, ремоделеры отвечают за масштабные реорганизационные задачи. Для их выполнения они должны осуществлять «крупномасштабные конформационные изменения, которые выполняются с поразительной точностью», говорит Ойстерманн. Чтобы изменить относительное положение нуклеосом, комплекс INO80 должен сначала ослабить контакты между нуклеосомными гистонами и ДНК. Молекулярный двигатель, являющийся частью комплекса INO80, сегментарно отделяет двуцепочечную ДНК от нуклеосомы. При этом он постепенно разрывает контакты, которые обычно удерживают ДНК плотно намотанной вокруг гистоновой частицы.

Двигательная субъединица "подаёт" ДНК в нуклеосому. Это приводит к транзитному образованию петли двуцепочечной ДНК, которая, вероятно, является важным промежуточным звеном в сложных реакциях ремоделирования нуклеосомы. С одной стороны, петля обнажает некоторые гистоновые белки, которые могут быть заменены другими гистонами для формирования нуклеосомы другого типа. С другой стороны, петля в конечном итоге передаётся через другую субъединицу, и машина затем действует как храповой механизм, позволяя нуклеосоме «двигаться» по ДНК. На протяжении всего этого процесса распаковки другие субъединицы в комплексе служат для поддержки и стабилизации частично «оголённой» нуклеосомы.

Структура комплекса, раскрытая в новом исследовании, проливает новый свет на функцию и механизм действия ремоделеров хроматина в целом. Эти молекулярные машины играют важную роль в работе клетки, поддерживая гибкость хроматина и тем самым позволяя генетическому аппарату динамически реагировать на меняющиеся метаболические потребности. «Наши результаты дают первую обоснованную картину того, как они это делают», — говорит Хопфнер. «Более того, недавно стало ясно, что ремоделеры играют центральную роль в опухолегенезе, поскольку они часто дисрегулированы в опухолевой ткани. Таким образом, структурные и механистические данные об их функциях будут жизненно важны для будущей разработки новых методов лечения рака», — добавляет он.