Физики измерили крутящие моменты в скрученной ДНК

Молекула ДНК, несущая генетическую информацию, часто оказывается сверхскрученной, как телефонный шнур. Это сверхскручивание вызывают ферменты, которые движутся по спиральной бороздке ДНК, создавая силу и крутящий момент.

Впервые эти крошечные моменты были измерены в лаборатории Мишель Ван, профессора физики и исследователя Медицинского института Говарда Хьюза. Используя инструмент под названием угловая оптическая ловушка (AOT), Ван и коллеги напрямую измерили крутящий момент, генерируемый моторным белком — РНК-полимеразой E. coli (RNAP) — при движении по сверхскрученной ДНК. Методика может быть использована для изучения влияния кручения и сверхскручивания ДНК, связанных с другими моторными белками, и даст новое понимание процесса транскрипции генов.

Работа была опубликована 27 июня в журнале Science. Первые авторы — Цзе Ма, постдок Корнеллского университета, и Лу Бай, бывший аспирант, а ныне доцент Университета штата Пенсильвания.

Сверхскручивание ДНК — важный регулятор экспрессии генов, но его сложно изучать из-за ничтожно малого крутящего момента. Используя AOT, исследователи не только воссоздали сверхскручивание ДНК, но и измерили с точностью до пиконьютон-нанометра крутящий момент, создаваемый полимеразой.

AOT использует наноразмерный кварцевый цилиндр в качестве «рукоятки», которая «удерживает» один конец нити ДНК и чувствительна к крутящему моменту, приложенному к цилиндру. Измеренный момент составил около 10 пиконьютон-нанометров — примерно 1/10²² от типичного момента, создаваемого динамометрическим ключом, но этого достаточно для существенного влияния на многие биологические процессы на молекулярном уровне.

«Измерять очень, очень маленькие скручивания и моменты на биомолекулах чрезвычайно сложно», — сказала Ван, чья лаборатория потратила около 10 лет на разработку технологии. — «Проще что-то скрутить, чем измерить, насколько сильно вы скручиваете. Наш инструмент позволяет делать и то, и другое».

Исследователи также наблюдали, как крутящий момент регулирует скорость движения RNAP во время транскрипции ДНК: сопротивление кручению замедляло RNAP и заставляло её периодически останавливаться.

Они также установили, что крутящего момента, генерируемого RNAP, достаточно для разделения цепей ДНК (плавления), что указывает на мощную природу RNAP как торсионного моторного белка. Это также указывает на потенциальную роль RNAP в облегчении инициации соседних промоторов, связывании регуляторных белков и инициации репликации ДНК.

Наконец, они обнаружили, что транскрибирующая RNAP устойчива к быстрым колебаниям крутящего момента (длительностью менее секунды). Эти результаты дают гораздо более чёткое понимание того, как сверхскручивание ДНК регулирует транскрипцию генов.

Исследование озаглавлено «Транскрипция под кручением».