Ученые впервые увидели, как соединяются молекулы ДНК — видео
Исследователям впервые удалось запечатлеть момент, когда две молекулы ДНК смыкаются, преодолевая взаимное отталкивание одинаковых отрицательных зарядов. Открытие, о котором они рассказали в журнале Nucleic Acids Research, проясняет механизм, который оставался загадкой более 20 лет.
Одноименные заряды, как известно, отталкиваются, однако в живых клетках молекулы ДНК вынуждены объединяться в пары, чтобы обеспечивать протекание жизненно важных процессов. Такое спаривание необходимо для генетической рекомбинации, подавления активности генов, упаковки хромосом и даже может играть роль в развитии рака.
Наблюдения показали, что короткие фрагменты ДНК стыкуются друг с другом с ювелирной точностью — бороздка к бороздке. Детальные компьютерные симуляции раскрыли участие в этом процессе катионов никеля, магния и кальция: они проникают в бороздки спиралей и скрепляют их между собой, работая в качестве крошечных молекулярных мостиков.
Впервые увидели воочию
«Возможность впервые воочию увидеть этот давно предсказанный механизм — невероятное событие. Современные методы визуализации позволили нам раскрыть эти ключевые взаимодействия ДНК, имеющие значение для множества клеточных процессов. Теперь открывается путь к изучению других взаимодействий ДНК, которые до сих пор известны лишь теоретически. Мы надеемся, что в перспективе эти программируемые взаимодействия помогут инженерам создавать искусственные структуры ДНК для биотехнологий будущего — например, в области ДНК-оригами — а также дадут подсказки о том, как на самом деле ДНК упакована внутри клеток», — пояснил биофизик Томас Кэтли из Шеффилдского университета, один из руководителей исследования.
Любопытно, что для старта скрепления необязательно абсолютное совпадение последовательностей в соединяемых участках молекул. Вместе с тем, одни последовательности образуют гораздо более прочные контакты, чем другие, создавая специфические «горячие точки», в которых две спирали особенно охотно выстраиваются друг относительно друга.
«Это открытие может помочь исследователям выявить те участки генома, которые особенно активно участвуют в спаривании ДНК. Такие участки могут приобретать особое значение, когда мутации нарушают нормальные клеточные процессы и способствуют развитию рака», — отметила профессор Агнес Ной из Йоркского университета, также возглавлявшая исследование.
Теория подтверждена
Полученные результаты подтверждают теорию «ДНК-застежки-молнии», выдвинутую более двух десятилетий профессором Алексеем Корнышевым из Имперского колледжа Лондона. Согласно этой модели, окружающие солевые ионы создают чередующиеся зарядовые узоры, что позволяет молекулам ДНК выстраиваться подобно сцепленным винтовым лестницам.
Атомно-силовая микроскопия наряду с компьютерной симуляцией движения отдельных атомов и ионов показала, что двухзарядные ионы металлов действуют как двуплечие «руки», удерживая сразу обе нити ДНК по разные стороны межмолекулярного промежутка.
«Микроскопия показывает нам, что происходит, но именно моделирование позволяет понять, как именно это происходит на молекулярном уровне. Этот механизм может оказаться еще одним инструментом в арсенале регуляторных механизмов ДНК: некоторые последовательности ДНК могут не кодировать белки, но при этом влиять на то, где молекулы ДНК будут взаимодействовать друг с другом, помогая геному формировать структуры более высокого порядка, такие как хромосомы», — подытожил биофизик Виктор Веласко-Беррелеса из Шеффилдского университета, руководивший компьютерным моделированием и анализом.
