Белок LacI ищет ДНК-мишень короткими связями, а не долгими объятиями

Исследователи из Университета Уппсалы, в статье для Science, показали, как ДНК-связывающий белок может искать свою мишень во всем геноме, не задерживаясь на полпути. Результат противоречит текущему пониманию регуляции генов: генетический код влияет на то, как часто белки связываются, но не на то, как долго они это делают.

Белки, регулирующие экспрессию генов, должны быстро находить нужную последовательность среди миллионов пар оснований. Считалось, что они ускоряют поиск, скользя по спирали ДНК, а при нахождении точной мишени прочно связываются с ней и остаются на месте.

Однако эта модель создавала проблему: в ДНК полно «почти правильных» последовательностей. Если бы время связывания определялось сходством с мишенью, белки постоянно застревали бы на таких участках, и регуляция генов была бы неэффективной.

«Если бы объяснение из учебника было верным, ДНК-связывающие белки постоянно застревали бы не на своей мишени. Но мы знаем, что это не так. Наш любимый белок, LacI, находит свою мишень среди 4,6 миллионов пар оснований за считанные минуты», — говорит Эмиль Марклунд.

Чтобы разрешить парадокс, ученые изучили, как белок LacI взаимодействует с тысячами разных последовательностей ДНК на микрочипе. С помощью флуоресцентной метки они измерили, как быстро LacI связывается с разными участками и как быстро высвобождается.

Результат оказался неожиданным:

• ДНК-последовательность почти не влияла на то, как долго LacI оставался связанным.
• Однако скользящий LacI гораздо чаще ненадолго задерживался на последовательностях, похожих на мишень.

Таким образом, белки часто покидают даже свою целевую последовательность, но на нужном сайте они почти сразу же возвращаются обратно. В макроскопическом масштабе времени это выглядит как стабильное взаимодействие.

«Наш результат — что ДНК-связывающие белки связываются часто, а не надолго — объясняет, как LacI может скользить по ДНК в поисках мишени, не задерживаясь без необходимости. LacI регулирует усвоение лактозы у бактерий, но это лишь пример. Сотни различных транскрипционных факторов, регулирующих наши собственные гены, вероятно, действуют по схожему принципу», — говорит профессор Йохан Эльф.