Как повреждённая молекула ДНК находит путь к репарации?
Учёные из Института нанонауки Кавли Делфтского технического университета обнаружили ключевой элемент механизма репарации ДНК. При разрыве двойной спирали ДНК повреждённый конец ищет схожую последовательность и использует её в качестве матрицы для починки.
Используя новую технику двойного молекулярного манипулирования, группа из Делфта выяснила, как молекула ДНК способна выполнять этот процесс поиска и распознавания с такой высокой эффективностью. Результаты исследования опубликованы на этой неделе в журнале Molecular Cell.
Сложнейшая задача
Иногда двойная спираль ДНК разрывается: обе цепи случайно разрезаются. Это создаёт серьёзную проблему, так как клетки не могут справиться с такой повреждённой ДНК. Подобная нестабильность геномной ДНК является известной причиной рака. К счастью, существует сложная система репарации ДНК, которая впечатляюще безошибочна и эффективна.
Сначала белки формируют филаментную структуру на повреждённом конце ДНК. Затем этот филамент исследует недавно скопированную ДНК или вторую хромосому (в поисках последовательности, соответствующей повреждённому концу. Это колоссальная задача: учитывая, что, например, человеческий геном содержит три миллиарда пар оснований, найти нужные несколько сотен пар — всё равно что найти иголку в стоге сена.
«Тем не менее, этот поиск происходит за считанные минуты и с высокой эффективностью. Как это достигается, оставалось загадкой десятилетиями. Наши новые эксперименты разрешают её, раскрывая ключевой шаг процесса — шаг молекулярного распознавания», — говорит учёный Ивин де Вламиник, проводивший эксперименты в группе профессора Сеса Деккера.
Операция поиска
«У бактерий за проведение операции поиска отвечает белок RecA. У бактерий E. coli филамент белка RecA, сформированный на ДНК, с удивительной скоростью и точностью находит и спаривает последовательность внутри второй молекулы ДНК. Для этого отдельные молекулы RecA сначала собираются в филаментную структуру на повреждённой ДНК. Затем филамент захватывает молекулы ДНК в непосредственной близости и сравнивает их последовательность с последовательностью повреждённой ДНК. Когда совпадение найдено, обе молекулы прочно связываются, что позволяет начать репарацию», — поясняет Де Вламиник.
«Мы обнаружили, что вторичный сайт связывания ДНК в филаменте взаимодействует с одной цепью входящей двухцепочечной ДНК во время поиска гомологии. Распознавание происходит при связывании обеих цепей входящей ДНК с двумя сайтами связывания ДНК в филаменте».
Данные указывают, что точность процесса поиска определяется расстоянием между сайтами связывания ДНК. Эксперименты в Делфте прояснили, что именно происходит при сравнении последовательностей двух молекул, объяснив, почему «неправильная» последовательность приводит к быстрой диссоциации молекул, а «правильная» — к прочной связи, ведущей к дальнейшей репарации. Именно эти два элемента обеспечивают впечатляющую скорость и высокую эффективность процесса репарации ДНК.
Новый инструмент
Команда из Делфта разработала уникальный новый инструмент, позволяющий независимо манипулировать отдельной молекулой ДНК и отдельным филаментом RecA, а также измерять силу межмолекулярных взаимодействий. Этот инструмент двойного молекулярного манипулирования сочетает манипуляции с молекулами ДНК на основе магнитного пинцета и оптической ловушки с ламинарной потоковой системой. Установка также позволила слегка раскручивать спираль ДНК, открывая локальные области, где нормальная двойная спираль была дестабилизирована. Этот эффект оказался решающим для процесса молекулярного распознавания. Таким образом, команда смогла напрямую исследовать силу взаимодействий между двумя молекулами, задействованных в поиске и распознавании, и построить новую модель этого процесса.