Как лобовые столкновения белковых машин ДНК останавливают репликацию
Новое исследование описывает, как лобовые столкновения между белковыми машинами на хромосомах могут нарушать репликацию ДНК и повышать частоту генных мутаций, которые помогают бактериям выживать во враждебных условиях, сопротивляться антибиотикам и смягчать атаки иммунной защиты.
Исследование опубликовано в журнале Cell.
Работу возглавила Хура Меррик, доцент кафедры микробиологии Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле.
По её словам, результаты позволяют предположить, что эти лобовые столкновения являются частью процесса, с помощью которого бактерии контролируют свою эволюцию, ускоряя мутации в ключевых генах, участвующих в адаптации к новым условиям.
«Эти столкновения могут служить механизмом для стимулирования адаптации в условиях, критически важных для жизни бактерии, таких как адаптация к стрессам окружающей среды или, в случае болезнетворных бактерий, к условиям внутри клетки хозяина во время инфекции», — сказала Меррик.
Исследователи изучили столкновения между двумя типами молекулярных машин — крупными белковыми комплексами, которые движутся вдоль хромосом, «считывая» генетические инструкции, закодированные в последовательности ДНК.
- Одна из этих машин, РНК-полимераза, использует инструкции, закодированные в генах, для сборки цепи РНК, называемой матричной РНК (mRNA). Клетка использует эту цепь как шаблон для синтеза белков — процесс, называемый транскрипцией.
- Задача другой машины, реплисомы, — создать копию хромосомы во время деления клетки — процесс репликации. Это даёт обеим дочерним клеткам собственную хромосому.
Поскольку большинство генов ориентированы для репликации, эти машины обычно движутся в одном направлении. Реплисомы движутся быстрее и иногда нагоняют более медленную РНК-полимеразу, вызывая «столкновение сзади». Такие столкновения обычно вызывают незначительные помехи, и у клеток есть механизмы для их быстрого устранения.
Однако некоторые гены закодированы в хромосоме «задом наперёд». Когда эти гены необходимо экспрессировать, РНК-полимераза движется в противоположном обычному направлении, и происходит лобовое столкновение с реплисомой.
Эти лобовые столкновения оказывают гораздо большее влияние на репликацию и транскрипцию. Они также увеличивают частоту генетических ошибок в этих «обратных» генах.
В новом исследовании учёные из UW показали, что другой механизм может объяснить, почему лобовые столкновения так разрушительны. Они обнаружили, что при таких столкновениях цепь mRNA, собираемая РНК-полимеразой, связывается с одной из цепей ДНК позади неё. Это создаёт РНК:ДНК-гибрид, называемый R-петлей (RNA-loop), который эффективно блокирует репликацию.
Блокада настолько эффективна, что без фермента, удаляющего R-петли, бактерии погибают.
Но почему тогда существуют эти «обратные» гены, если они представляют такую угрозу? Оказывается, большинство из них активируются, когда бактерии находятся в состоянии стресса, например, в агрессивной среде.
Меррик и её коллеги предполагают, что в таких стрессовых ситуациях лобовые столкновения увеличивают мутации в этих генах стрессового ответа. Некоторые из этих мутаций могут повысить шансы потомства бактерии на выживание в аналогичных условиях в будущем.
Кевин Ланг, первый автор исследования, объясняет, что этот механизм, по-видимому, является компромиссом: бактерии принимают тот факт, что, хотя лобовые столкновения нарушают репликацию и увеличивают вредные мутации, они также способствуют появлению потенциально полезных мутаций в ключевых генах, которые позволят им выжить в трудных условиях.
«Одна из изученных нами бактерий, Listeria monocytogenes, может жить в различных средах, например, в солёных продуктах в вашем холодильнике или, при заражении, в ваших клетках. Чтобы выжить в стольких нишах, нужно уметь эволюционировать и делать это быстро», — пояснил он.