Как белки ищут свою цель в ДНК: новый взгляд на механизм скольжения
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, раскрывает механизм, с помощью которого ДНК-связывающие белки ищут свои специфические сайты связывания в геноме. Работа проведена совместно учёными из Уппсальского университета Себастьяном Дейндлом и Йоханом Эльфом.
Проблема поиска
Для таких белков, как факторы транскрипции, найти свой целевой сайт в ДНК (часто длиной всего в десяток генетических «букв») — всё равно что найти иголку в стоге сена (геноме, состоящем из миллионов или миллиардов «букв»). Для ускорения поиска белки используют процесс облегчённой диффузии:
- 3-D диффузия: случайное движение в объёме клетки до столкновения с молекулой ДНК.
- 1-D скольжение: если место столкновения не является целевым сайтом, белок может случайно скользить вдоль ДНК, прежде чем отцепиться и вернуться к 3-D диффузии.
Хотя роль 1-D скольжения в ускорении поиска была известна, его точный молекулярный механизм оставался загадкой.
Новый метод наблюдения
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новые подходы флуоресцентной микроскопии одиночных молекул. Это позволило в реальном времени наблюдать за отдельными факторами транскрипции, скользящими по ДНК в поисках своей цели.
«Впервые мы смогли напрямую наблюдать, как часто скользящий белок пропускает свой сайт связывания», — отмечает Себастьян Дейндл.
Ключевые открытия
- Скорость поиска: белок сканирует ДНК чрезвычайно быстро — 10 пар оснований за ~100 микросекунд (одна миллионная доля секунды).
- Неточность: скользящий белок часто «промахивается» и проскальзывает мимо своего целевого сайта.
- Механизм «прыжков»: наблюдения показали, что белок не строго следует спиральной геометрии ДНК. Вместо этого он часто совершает короткие «прыжки», временно отрываясь от своей траектории.
«Совершая прыжки, белок жертвует тщательностью сканирования ради скорости, что позволяет ему сканировать ДНК быстрее. Это очень умный выбор, поскольку с таким механизмом поиска он находит цель вдвое быстрее», — объясняет Эмиль Марклунд, аспирант и соавтор исследования.
Йохан Эльф добавляет: «Здорово, что мы можем наблюдать динамику биомолекулярных взаимодействий на субмиллисекундных временных масштабах — именно здесь происходит химия жизни».