Как «прыгающий ген» человека нацеливается на структурированную ДНК для изменения генома

Длинные диспергированные ядерные элементы-1 (LINE-1 или L1) — единственные активные, самокопирующиеся генетические элементы в геноме человека, составляющие около 17% генома. Их часто называют «прыгающими генами» или «ретранспозонами», поскольку они могут «ретранспонировать» (перемещаться) из одного участка генома в другой.

Исследователи из Института биофизики Китайской академии наук раскрыли молекулярные механизмы, лежащие в основе ретротранспозиции L1 и его интеграции в геномную ДНК. Их исследование было опубликовано в журнале Science 9 октября.

L1 — единственный автономно активный ретротранспозон в геноме человека и основной переносчик большинства других ретротранспозонов. Его ретротранспозиция опосредована обратной транскриптазой ORF2p через механизм, известный как обратная транскрипция, инициированная мишенью (TPRT). До сих пор оставалось неясным, как ORF2p распознает мишени ДНК и опосредует интеграцию.

Под руководством профессоров Сюй Жуймина, Чжу Бина и Сюэ Юаньчао исследователи очистили активный комплекс ORF2p-эндогенная нуклеиновая кислота и определили его высокоразрешительную трёхмерную структуру с помощью криоэлектронной микроскопии отдельных частиц (крио-ЭМ). Структурный анализ показал, что ORF2p связывается с геномной ДНК посредством сильных поверхностных электростатических взаимодействий. Также было показано, что синтез кДНК (комплементарной ДНК) происходит в активном центре обратной транскриптазы (RT) посредством аллостерической модуляции нескольких аминокислотных остатков.

Важно, что исследователи создали первую эффективную систему расщепления ДНК in vitro для ORF2p, продемонстрировав, что он функционирует как структуризависимая эндонуклеаза. Они обнаружили, что ORF2p проявляет высокую каталитическую активность в отношении специфических вилочных субстратов ДНК, особенно структур типа «flap», характерных для отстающей цепи во время репликации ДНК.

Конформационные изменения в эндонуклеазном (EN) домене обеспечивают ступенчатое расщепление двуцепочечной ДНК. Это открытие даёт молекулярную основу для связи между интеграцией L1 и клеточным циклом репликации.

Сравнение структур ORF2p с гомологичными белками бактерий и насекомых выявило как консервативные, так и дивергентные черты в эволюции ретротранспозазы: в то время как активность обратной транскрипции высоко консервативна, механизмы распознавания и расщепления ДНК претерпели значительную диверсификацию.

Это исследование проясняет режим связывания нуклеиновых кислот ORF2p и механизм, опосредованный структурой ДНК, управляющий его сайт-специфичным расщеплением во время ретротранспозиции L1. ORF2p взаимодействует в основном с остовом ДНК через электростатические силы, а не через последовательностно-специфичное распознавание, что подчёркивает его уникальную физиологическую роль.

Эта работа фундаментально углубляет понимание механизма ретротранспозиции L1 и предоставляет новую теоретическую основу для разработки терапевтических средств, нацеленных на регуляцию ретротранспозонов.