Белок TFIIH — «протеиновый оборотень», меняющий форму для разных задач

Транскрипционный фактор IIH (TFIIH) — ключевой белковый комплекс, управляющий активностью человеческой клетки. Он играет критическую роль как в транскрипции (синтезе РНК на матрице ДНК), так и в репарации (починке) повреждённой ДНК. Как один комплекс может участвовать в двух столь разных процессах?

Исследователи под руководством профессора химии Ивайло Иванова из Университета штата Джордлия использовали суперкомпьютер Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж для молекулярного моделирования. Сравнив динамику структуры TFIIH в состояниях, активных для транскрипции и для репарации ДНК, они обнаружили: TFIIH меняет конформацию (форму), подстраиваясь под требования каждой задачи.

Понимание работы TFIIH на стыке транскрипции и репарации важно для изучения генетических заболеваний, вызванных мутациями в нём: пигментной ксеродермы, трихотиодистрофии и синдрома Коккейна. Результаты опубликованы в Nature Communications.

«Этот проект показывает, насколько универсальны белковые комплексы. Понимание того, как мутации нарушают функцию TFIIH, — первый шаг к разработке терапевтических стратегий, например, редактирования генов», — отметил Иванов.

Транскрипция vs. Репарация ДНК

Структура TFIIH была определена методом криоэлектронной микроскопии, но для изучения его динамики в действии потребовалось моделирование систем почти из 2 миллионов атомов с множеством параллельных вычислений.

TFIIH — часть преинициаторного транскрипционного комплекса (PIC), который запускает процесс копирования ДНК в матричную РНК (мРНК). В транскрипции TFIIH содержит молекулярный мотор, разворачивающий двойную спираль ДНК, чтобы открыть матричную цепь для РНК-полимеразы.

TFIIH также — ключевой компонент системы нуклеотид-эксцизионной репарации (NER), которая удаляет разнообразные повреждения ДНК (от УФ-излучения, химиотерапии, канцерогенов).

Как меняются роли субъединиц

В TFIIH две важные субъединицы — XPB и XPD, расположенные на концах его подковообразной структуры.

• В транскрипции: Подкова открыта. XPB — активный компонент, разматывающий ДНК. XPD выполняет структурную роль — его ДНК-связывающий желоб заблокирован другой субъединицей p62, что предотвращает взаимодействие с ДНК.
• В репарации ДНК: Подкова закрыта. Роли меняются: теперь XPD становится активным, участвуя в сканировании и обработке повреждений, а XPB играет иную роль.

Ранее команда смоделировала динамику TFIIH только в составе PIC для транскрипции. Новое исследование, включившее состояние, активное для NER, дало полную картину механизмов работы комплекса в репарации.

Динамический структурный анализ

Команда использовала графовые алгоритмы, чтобы разделить белковую сеть TFIIH на сильно связанные компоненты — динамические модули, которые движутся как единое целое. Это позволило сравнить функциональную динамику комплекса в двух состояниях.

«Внезапно видишь, как сообщества [аминокислот], ранее жёстко связанные, открываются и участвуют в движениях, которых нельзя было anticipate, глядя только на состояние для транскрипции», — пояснил Иванов.

На модель белковой сети можно наложить разную информацию (динамические корреляции, вероятности контактов), чтобы детально проанализировать критические интерфейсы, меняющиеся при переходах между конформациями. Это позволяет классифицировать мутации, вызывающие разные болезни, основываясь на их положении в структуре и динамической роли.

«Понимая механизмы транскрипции и NER в TFIIH, появляется возможность направлять его функцию в сторону того или иного пути», — заключил Иванов.