Белок, который оценивает расстояния
Белок семейства ISWI (Imitation Switch, или моторы ремоделирования нуклеосом) обладает особым свойством: несмотря на отсутствие органов чувств, он способен оценивать длину нитей ДНК. Исследование, только что опубликованное в Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment и проведенное SISSA, Институтом Макса Планка и NIH, раскрыло механизм этого процесса.
Представьте хромосому как нить бус. «Бусины» — это нуклеосомы, образованные нитью ДНК, плотно обернутой вокруг белков-гистонов, которые действуют как катушки. Нуклеосомы соединены друг с другом сегментами той же нити ДНК разной длины. Специальные белки — «моторы ремоделирования» — могут перемещать «бусины» вдоль нити, сближая или раздвигая их. Один тип таких моторов располагает нуклеосомы на нити равноудаленно. Чтобы понять, куда перемещать нуклеосомы, моторам нужно оценить длину соединяющих их сегментов. Возникает вопрос: как одна молекула может «почувствовать» длину отрезка ДНК?
Ана Мария Флореску, научный сотрудник Международной школы перспективных исследований (SISSA) в Триесте, и Куни Иваса из Национальных институтов здоровья США (NIH) ответили на этот вопрос с помощью теоретического исследования. Оба ученых начали эту работу в Институте физики сложных систем Макса Планка в Дрездене.
«Это действительно вопрос "ощущения", но не забывайте, что мы имеем дело с белковыми комплексами, у которых нет органов чувств», — объясняет Флореску.
Ученые вдохновлялись предыдущими экспериментальными результатами и построили модель системы (нуклеосомы, нити и моторы ремоделирования, погруженные в жидкую среду).
«Мы наблюдали в наших расчетах, что чем длиннее сегмент ДНК между нуклеосомами, тем меньше времени требуется мотору, чтобы связаться с ним». Нити в жидкости колеблются случайным образом, и амплитуда, и скорость их движения зависят от длины сегмента. Чем короче сегмент, тем быстрее он колеблется: «в этом случае молекуле сложнее захватить сегмент, и она не может выполнить свое действие, пока не свяжется с ним». Таким образом, время, необходимое мотору для связывания с сегментом, является индикатором длины самого сегмента.
Распаковка нити для работы ДНК
Конечная функция ДНК — синтез белка, процесс, который начинается с первого ключевого шага — транскрипции генов: фрагменты кода копируются, чтобы служить матрицей для построения новых белков. Для этого азотистые основания, составляющие нить ДНК, должны быть доступны. Когда они плотно упакованы вокруг гистонов, они не могут быть использованы. Их перестройка моторами ремоделирования имеет решающее значение для высвобождения.
«ДНК плотно упакована, потому что иначе она не поместилась бы в ядре клетки — общая длина полного генома человека превышает два метра. Однако у этого есть недостаток: её приходится распаковывать каждый раз, когда это необходимо. Эту задачу выполняют моторы ремоделирования, делая нить хроматина доступной для процесса транскрипции», — объясняет Флореску.
Легко понять, насколько важны эти молекулы ремоделирования для здоровья организма: сбой механизма блокирует транскрипцию и, следовательно, синтез белка. «Некоторые исследования связывают определенные типы рака с отсутствием или ограниченным присутствием моторов ремоделирования», — заключает Флореску.