Разгадана тайна остановки репликации ДНК

Исследователи из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) раскрыли ключевую загадку процесса репликации ДНК.

Перед делением бактерия должна скопировать свой генетический материал — кольцевые молекулы ДНК — в процессе репликации. При этом две цепи ДНК раскручиваются и разделяются, становясь матрицами для синтеза новых цепей.

Для регуляции этого процесса на ДНК существуют «дорожные блоки» — сайты терминации, обеспечивающие окончательную остановку репликационных вилок (Y-образных структур, образующихся при разделении цепей).

Исследование, опубликованное в Nature, показало, почему сайты терминации в пробирке (in vitro) останавливают вилки навсегда, а в живых бактериях более 50% репликационных вилок, движущихся к сайту терминации, продолжают синтез без остановки.

Сайт терминации состоит из 23-парной терминационной последовательности (Ter), связанной с белком Tus (terminus utilization substance). Комплекс Tus−Ter работает как стопорный узел на верёвке: он пропускает репликационные вилки только в одном направлении, создавая «ловушку».

Команда предположила, что на эти сайты влияет энергия движения (кинетика). Используя метод визуализации одиночных молекул, они сняли «молекулярные фильмы» с высоким разрешением, чтобы отследить судьбу репликационных вилок Escherichia coli при приближении к сайту терминации.

Результаты показали, что эффективность остановки вилки ослабляется кинетическим соревнованием между:

• скоростью разделения цепей хеликазным мотором на вилке и
• скоростью перестройки взаимодействий в комплексе Tus−Ter, которые удерживают прочную хватку Tus на ДНК.

Это означает, что быстрые вилки опережают перестройку Tus−Ter и вытесняют Tus, а медленные вилки эффективно блокируются.

Это разрешает давнюю загадку в понимании репликации ДНК и имеет важные последствия для всех доменов жизни.

«Эти выводы поразительны для энзимологии», — заявил Самир Хамдан.

Он отметил, что демонстрация того, что скорости отдельных ферментов колеблются во время катализа и могут различаться у предположительно идентичных молекул фермента, — это новое достижение визуализации одиночных молекул для биологии.

«Это исследование впервые показало, что эти внутренние свойства молекул ферментов действительно влияют на биологию», — объяснил Хамдан.

Коммуникация между молекулярными моторами и белками, связывающими двуцепочечную ДНК, — общая черта процессов репликации, репарации, рекомбинации и транскрипции. Эволюция различных ответов на среднюю скорость разных молекулярных моторов может регулировать взаимодействие между этими процессами.