С помощью крошечных оптических пинцетов исследователи раскрывают новые аспекты деления клеток

Тело постоянно делится — что, как ни парадоксально, означает постоянное умножение. При делении клетка не распадается на две бесполезные половины, а превращается в две полностью функциональные клетки.

Для этого клетка сначала должна скопировать свою ДНК, чтобы каждая последующая «половина» имела доступ к необходимым генам. Этот процесс после десятилетий исследований до конца не понят.

Учёные из Рокфеллеровского университета получили ключевое представление о том, как это работает, с помощью новой высокоточной технологии. Их исследование, опубликованное в Cell, посвящено ферменту, критически важному для репликации ДНК, и проясняет ранее запутанные аспекты процесса деления клеток, что в будущем может продвинуть исследования таких болезней, как рак.

Развилка на пути

Большую часть времени ДНК состоит из двух комплементарных цепей, плотно обёрнутых друг вокруг друга, образуя знаменитую двойную спираль. Однако эта элегантная конформация не подходит для копирования. Перед репликацией две цепи должны быть «расстёгнуты» ферментом CMG-хеликазой, которая скользит вдоль одной цепи, отделяя её от партнёра.

«Поскольку для этого расстёгивания требуется CMG-хеликаза, это один из самых фундаментальных ферментов на Земле», — говорит Майкл О’Доннелл, профессор Энтони и Джудит Эвнин.

Однако CMG — не единственная молекулярная машина, действующая на ДНК во время деления клетки. Репликация ДНК включает целую команду молекул, коллективно называемых реплисомой, которые выполняют разные задачи для точного воспроизведения генетического сценария. С другой стороны, когда что-то идёт не так, армия репаративных ферментов отвечает за исправление повреждённых или неправильных участков ДНК. Они действуют в области, называемой репликационной вилкой, которая, по совпадению, является тем же местом, где работает CMG.

Это тесное соседство, и исследователи много лет пытались понять его логистику. О’Доннелл объясняет, что цепь ДНК довольно узкая, поэтому если репаративные ферменты сидят на репликационной вилке, то для хеликазы остаётся не так много места.

О’Доннелл и Шиксин Лю, эксперт по визуализации отдельных молекул в действии, объединили усилия, чтобы ответить на базовый вопрос: когда репаративные ферменты устремляются исправлять повреждённую ДНК, куда, чёрт возьми, девается хеликаза?

Чтобы выяснить это, исследователи проанализировали взаимодействие ДНК и CMG-хеликазы с помощью технологии «оптических пинцетов». Она предполагает подвешивание одной молекулы ДНК между двумя бусинами, к которым прикреплены её концы, и приложение натяжения, так что молекула ДНК начинает распутываться — фактически создавая репликационную вилку. В последние годы этот тип наноманипуляций значительно расширил способность учёных исследовать различные аспекты репликации клеток и транскрипции генов, что делает его идеальным инструментом для изучения CMG.

Сочетая оптические пинцеты с флуоресцентной микроскопией, исследователи смогли наблюдать, как хеликаза связывается с ДНК, движется вдоль неё и диссоциирует. В процессе они обнаружили удивительные детали о структуре и функции фермента.

Откровения о репликации

Оптические пинцеты удерживают ДНК, как натянутую между двумя руками верёвку. Согласно общепринятому пониманию, CMG оборачивается вокруг ДНК, как кольцо. Без магического трюка невозможно надеть кольцо на верёвку, не отпустив один из её концов. Однако исследователи наблюдали, что когда CMG находится в растворе с ДНК в пинцетах, фермент каким-то образом умудряется обернуться вокруг одной цепи молекулы. Это открытие заставило их пересмотреть понимание фермента.

«Единственный способ, как это могло произойти, — если кольцо открывается и снова закрывается, чтобы окружить ДНК, — говорит Лю. — Так что это была первая зацепка, которая заставила нас предположить, что у CMG есть небольшая дверца, которая делает именно это».

Дополнительные эксперименты подтвердили, что такое открытие дверцы действительно существует в CMG и жизненно важно для беспрепятственного деления клеток. Исследователи предполагают, что когда CMG нужно освободить репликационную вилку, она просто открывает свою дверцу, «спрыгивает» со своей текущей позиции на цепи ДНК и перемещается на незанятый участок. Когда репарация завершена, фермент снова открывает дверцу, «перепрыгивает» обратно на прежнюю позицию и возобновляет свою работу.

Помимо прояснения фундаментальных деталей механизма репликации ДНК, эти выводы могут иметь значение для понимания и лечения болезней, включая рак. «Мутации CMG были замешаны в нескольких видах рака, — говорит Лю. — Поэтому понимание того, как работает этот фермент, в конечном итоге может привести исследователей к новым мишеням для лекарств».