Биологи раскрыли, как гираза распутывает узлы ДНК

ДНК в клетках существует в виде сверхспирализованных петель, которые могут перекручиваться и запутываться, подобно спиральному телефонному шнуру. Это сверхспираливание необходимо для компактной упаковки ДНК в ядре, но его избыток блокирует ключевые процессы, такие как копирование и считывание генетической информации. Фермент ДНК-гираза решает эту проблему, регулируя сверхспиралирование. Новое исследование в журнале Science раскрывает молекулярный механизм этого процесса.

ДНК-миникольца и криоэлектронная микроскопия показывают первый шаг

  • Для изучения использовались не линейные, а сверхспирализованные кольца ДНК (миникольца), которые лучше имитируют естественную форму ДНК в клетке.
  • С помощью криоэлектронной микроскопии высокого разрешения и других методов ученые визуализировали взаимодействие гиразы с миникольцами.
  • Исследователи подтвердили гипотезу: гираза распознает и связывается внутри сверхспирализованной петли ДНК. Это первый ключевой шаг для разрешения запутанности.

Механизм «ДНК-лассо»

  1. Сверхспирализованная петля ДНК «захватывает» гиразу, подобно лассо.
  2. Гираза разрезает одну цепь двойной спирали ДНК в петле.
  3. Затем она проводит вторую цепь через этот разрез.
  4. После этого разрез зашивается.

В результате этого шага переплетение ослабляется, а сверхспирализация регулируется, что позволяет контролировать активность ДНК.

Значение и перспективы

  • Работа предоставляет первые экспериментальные доказательства «модели инверсии цепи ДНК», предложенной еще в 1979 году.
  • Гиразы — важная мишень для антибиотиков (против бактерий) и многих противоопухолевых препаратов (против человеческих версий этих ферментов). Понимание их механизма на молекулярном уровне может улучшить клинические методы лечения.
  • Исследование поддерживает новую идею: ДНК — не пассивная молекула, а активная. Она использует сверхспирализацию, петлеобразование и 3D-формы, чтобы направлять ферменты (например, гиразу) к специфическим последовательностям, что может влиять на реакцию клеток на лекарства.