Прорыв в изучении транскрипции ДНК благодаря нанотехнологиям
Исследователь из Университета Рутгерса Ричард Х. Эбрайт и его коллеги ответили на ключевые вопросы о транскрипции — фундаментальном процессе жизни, за изучение которого в 2006 году была присуждена Нобелевская премия по химии.
Транскрипция — это первый шаг в процессе, с помощью которого клетки считывают и выполняют инструкции, содержащиеся в генах. Её осуществляет молекулярная машина — РНК-полимераза, которая синтезирует РНК-копию информации из ДНК.
Две статьи Эбрайта и его коллег в выпуске журнала Science от 17 ноября впервые определяют механизмы, с помощью которых эта машина начинает синтез РНК, а затем высвобождается из своего начального сайта связывания, чтобы двигаться вдоль ДНК и продолжать синтез.
Результаты показывают, что во время инициации транскрипции машина остаётся неподвижной в точке старта и «наматывает» на себя соседние участки ДНК, раскручивая их и втягивая внутрь. Этот замечательный механизм, названный «скра́нчинг ДНК» (DNA scrunching), позволяет машине накопить энергию, необходимую для разрыва связей с начальным сайтом и начала движения по гену.
«Наши открытия стали возможны благодаря новым методам работы с одиночными молекулами, — сказал Эбрайт. — Они позволили нам анализировать и манипулировать отдельными молекулами машины по одной, пока те проводили реакции».
Эти открытия значительно углубляют понимание структуры и функции молекулярной машины, осуществляющей транскрипцию, открывая новые возможности в борьбе с бактериальными заболеваниями, которые ежегодно уносят 13 миллионов жизней во всём мире.
«В течение шести десятилетий антибиотики были нашей главной защитой, но сейчас эта защита рушится, — отметил Эбрайт. — Для всех основных бактериальных патогенов, включая туберкулёз, появились штаммы, такие как ШЛУ-ТБ (XDR-TB), устойчивые к современным антибиотикам».
Лаборатория Эбрайта в Институте микробиологии Ваксмана Рутгерса занимается как фундаментальным пониманием работы этой машины, так и использованием этих знаний для разработки новых классов антибактериальных агентов, которые ингибируют её бактериальную версию.
Два подхода, одно открытие
Совместное исследование с лабораторией Шимона Вайсса (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе) использовало флуоресцентную спектроскопию одиночных молекул. Учёные прикрепили флуоресцентные «метки» к ключевым элементам машины и наблюдали за изменением расстояния между ними в реальном времени. Они доказали, что машина не движется и не растягивается к соседним участкам ДНК, а остаётся на месте и втягивает ДНК внутрь себя.
Совместное исследование с лабораторией Теренса Стрика (Институт Жака Моно, Париж) использовало наноманипуляции с одиночными молекулами с помощью инструмента «магнитные пинцеты». Учёные удерживали и растягивали одну молекулу ДНК с сайтом инициации транскрипции и в реальном времени считывали изменения её конформации. Они показали, что машина раскручивает ДНК и втягивает её внутрь («скранчинг»), а затем, покидая сайт старта, снова её скручивает («раскранчинг»). Этот процесс происходит каждый раз при инициации транскрипции, что указывает на его обязательность.
Вместе эти исследования отвечают на давний вопрос о том, как машина получает энергию для отрыва от стартового сайта. Она запасает эту энергию, раскручивая и втягивая ДНК, подобно тому, как закручивается резиномотор самолёта. Когда энергии накапливается достаточно, машина разрывает связи, устремляется вперёд и одновременно перематывает раскрученную ДНК.