Решение давней биологической проблемы поиска
Как клетка может восстанавливать разрывы ДНК, используя другую копию ДНК в качестве шаблона, много лет озадачивало учёных. Как возможно найти правильные последовательности в оживлённой внутренней среде клетки? Исследователи из Уппсальского университета обнаружили решение: слепому человеку легче найти верёвку, чем мяч.
Разрыв молекулы ДНК угрожает судьбе клетки. Для бактерии быстрое исправление разрыва — вопрос жизни и смерти. Но восстановить ДНК без ошибок в последовательности сложно: репарационной машинерии нужно найти шаблон. Процесс заживления разорванной ДНК с использованием шаблона от сестринской хромосомы известен как гомологичная рекомбинация и хорошо описан. Однако в описаниях обычно игнорируется сложная задача поиска совпадающего шаблона среди всех остальных последовательностей генома. Хромосома — сложная структура с несколькими миллионами пар оснований генетического кода, и ясно, что простой диффузии в 3D было бы недостаточно. Но как же это происходит? Это оставалось загадкой гомологичной рекомбинации в течение 50 лет. Из предыдущих исследований было ясно, что молекула RecA участвует и важна в процессе поиска, но до сих пор это было пределом нашего понимания.
Теперь группа исследователей из Уппсалы под руководством профессора Йохана Эльфа нашла решение этой поисковой загадки. В исследовании, опубликованном в Nature, они использовали CRISPR-технологию для создания контролируемых разрывов ДНК в бактериях. Выращивая клетки в микрофлюидном чипе и отслеживая меченые молекулы RecA с помощью флуоресцентной микроскопии, исследователи смогли визуализировать процесс гомологичной рекомбинации от начала до конца.
"Микрофлюидный чип позволяет нам одновременно следить за судьбой тысяч отдельных бактерий и контролировать CRISPR-индуцированные разрывы ДНК во времени. Это очень точно, почти как иметь крошечные ДНК-ножницы", — говорит Якуб Виктор, один из исследователей.
Метка на RecA вместе с флуоресцентными маркерами на ДНК позволила точно отследить каждый этап процесса. Например, они установили, что весь ремонт завершается в среднем за 15 минут, а шаблон находится примерно за девять. С помощью микроскопии команда Эльфа исследовала судьбу места разрыва и его гомологичной копии в реальном времени. Они также обнаружили, что клетка реагирует, перестраивая RecA в тонкие филаменты, простирающиеся по длине клетки.
"Мы видим образование тонкой гибкой структуры, которая выступает из места разрыва сразу после повреждения ДНК. Поскольку концы ДНК включены в это волокно, достаточно, чтобы любая его часть нашла драгоценный шаблон. Таким образом, поиск теоретически сокращается с трёх до двух измерений. Наша модель предполагает, что это ключ к быстрому и успешному ремонту по гомологии", — говорит Арвид Гиннё, работавший над проектом на протяжении своих PhD-исследований.
Переход от 3D к 2D поиску — значительное улучшение вероятности найти гомологичную последовательность достаточно быстро или вообще. Как сказал японский математик Сидзуо Какутани: «Пьяный человек найдёт дорогу домой, но пьяная птица может потеряться навсегда». Этими словами он пытался объяснить любопытный факт: объект, исследующий 2D-поверхность случайным блужданием, рано или поздно вернётся в исходную точку, тогда как в 3D-пространстве он, скорее всего, никогда не вернётся «домой».
Исследование проводилось на модельном организме E. coli, но процесс репарации по гомологии почти идентичен для высших организмов, включая человека. Повреждения ДНК часто происходят в наших телах, и без способности залечивать разрывы ДНК мы были бы крайне уязвимы, например, к УФ-излучению и активным формам кислорода, и с большей вероятностью развили бы рак. Фактически, большинство онкогенов связаны с репарацией ДНК, и новые механистические данные могут помочь понять причины роста опухолей.