Когда люди думают о ДНК, они представляют себе структуру двойной спирали в виде струны. На самом деле двойная спираль ДНК в клетках свернута и скручена в петли. Известно, что эта суперспирализация и зацикливание влияют на все аспекты активности ДНК, но как это происходит, неясно.

Опубликованное в журнале Nature Communications исследование, проведенное учеными из Медицинского колледжа Бейлора, показывает, что суперспирализация и образование петель могут передавать механическое напряжение по основной цепи ДНК. Стресс может способствовать разделению цепей двойной спирали на определенных удаленных участках, обнажая основания ДНК, что может способствовать репарации, репликации, транскрипции или другим аспектам функции ДНК.

«ДНК хранит генетическую информацию клетки в стабильной и защищенной форме, которая легко доступна клетке для продолжения своей деятельности», – сказал автор-корреспондент доктор Линн Зехидрих, председатель кафедры молекулярной вирусологии и микробиологии Бэйлора Кайл и Джозефин Морроу. . «Организмы достигают этой, казалось бы, парадоксальной цели, сохраняя ДНК в суперспиральных петлях. В текущем исследовании мы исследовали, как суперспирализация и образование петель модулируют активность ДНК»

.

Зехидрих и ее сотрудники начали с создания небольших кусочков сверхспиральной ДНК, подобных тем, которые присутствуют в живых клетках. Они взяли короткую линейную двойную спираль ДНК и скрутили ее один, два, три или более раз, либо в направлении поворота двойной спирали (положительная суперспирализация), либо против нее (отрицательная суперспирализация). Затем они соединили концы вместе, образуя петлю.

«В предыдущем исследовании мы изучили трехмерные структуры суперспиральных миникругов с помощью электронной криотомографии (крио-ЭТ), метода визуализации, который позволяет получать трехмерные изображения больших молекул с высоким разрешением», – сказал Зехидрих. , член Комплексного онкологического центра Дэна Л. Дункана Бэйлора. «Мы наблюдали удивительно большое разнообразие форм миникольцов в зависимости от конкретного уровня суперспирализации. Многие из наблюдаемых нами форм содержали резко изогнутую ДНК. Это наблюдение было неожиданным»

Это было неожиданно, потому что модели показывают, что сверхспиральные круги ДНК будут вести себя больше как скрученная резинка.

«Мы обнаружили, что сверхспиральная, закрученная в петлю ДНК, вместо того, чтобы плавно изгибаться, внезапно выскакивает из острых краев, что приводит к разрыву двойной спирали», – сказал Зехидрих. «Отверстия раскрывают этот конкретный код ДНК, делая его доступным для белков, ищущих определенные последовательности для взаимодействия с ДНК, например, для восстановления или создания копии»

Еще одним важным открытием является идея «действия на расстоянии». Эффекты стресса суперспирализации на одном участке петли могут передаваться по основной цепи ДНК на удаленный участок. Например, если один участок резко изогнут, второй участок, находящийся далеко от первого, также будет резко изогнут. Изучение линейной ДНК не отражает этот феномен, но наши сверхспиральные миникольца раскрывают эти динамические свойства ДНК, обнаруженные в клетках »

Д-р. Джонатан М. Фогг, первый автор исследования и старший научный сотрудник лаборатории Цехидриха

Эти открытия предлагают новый взгляд на то, как регулируется активность ДНК. В настоящее время идея состоит в том, что специализированные белки взаимодействуют с ДНК для разделения сегментов двойной спирали, которые необходимо дублировать, например, или транскрибировать в РНК для получения белка.

«Здесь мы показали, что для доступа к ДНК не нужен белок, он может стать доступным сам по себе», – сказал Зехидрих.

«Наши клетки создали множество сложных процессов для хранения и использования ДНК, и форма этой ДНК влияет на них всех», – сказала соавтор Эллисон Джадж, аспирант кафедры фармакологии и химической биологии.

«Наши результаты позволяют по-новому взглянуть на то, что определяет форму ДНК», – сказал соавтор Эрик Стрикер, аспирант кафедры педиатрии-онкологии. «Мы предполагаем, что вариации этих новых форм ДНК могут иметь потенциальное применение в нанотехнологиях, таких как генная терапия»

«Наше исследование преобразовывает ДНК из пассивной биомолекулы в активную», – сказала соавтор Хильда Чан, аспирант программы подготовки медицинских ученых. «Наши результаты стимулируют будущую работу над тем, как ДНК может использовать свою форму для управления доступом к определенным последовательностям в различных ситуациях, например, в ответ на лекарства, инфекцию или точки в клеточном цикле»

.