Как клетка может восстанавливать разрушенную ДНК, используя другую копию ДНК в качестве шаблона, годами озадачивала исследователей. Как можно найти правильные последовательности в оживленном интерьере камеры? Исследователи из Уппсальского университета нашли решение; с завязанными глазами найти веревку легче, чем мяч.

Когда молекула ДНК распадается на две части, судьба клетки оказывается под угрозой. С точки зрения бактерии быстрое устранение разрыва – это вопрос жизни и смерти. Но исправить ДНК, не внося ошибок в последовательность, сложно; ремонтной технике нужно найти шаблон. Процесс исцеления сломанной ДНК с использованием матрицы из сестринской хромосомы известен как гомологичная рекомбинация и хорошо описан в литературе. Однако описание обычно игнорирует сложную задачу поиска подходящего шаблона среди всех других последовательностей генома. Хромосома представляет собой сложную структуру с несколькими миллионами пар оснований генетического кода, и совершенно очевидно, что простая диффузия в трехмерном пространстве не будет достаточно быстрой при большом расстоянии. Но тогда как это делается? Это было загадкой гомологичной рекомбинации на протяжении 50 лет. Из предыдущих исследований ясно, что молекула RecA вовлечена и важна в процессе поиска, но до сих пор это было пределом нашего понимания этого процесса.

Теперь группа исследователей Упсалы во главе с профессором Йоханом Эльфом наконец нашла решение этой поисковой загадки. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, они используют методику на основе CRISPR для создания контролируемых разрывов ДНК у бактерий. Выращивая клетки в микрожидкостном культуральном чипе и отслеживая меченые молекулы RecA с помощью флуоресцентной микроскопии, исследователи могут визуализировать процесс гомологичной рекомбинации от начала до конца.

Микрожидкостный культуральный чип позволяет нам одновременно проследить судьбу тысяч отдельных бактерий и вовремя контролировать вызванные CRISPR разрывы ДНК. Это очень точно, как если бы у вас были крошечные ножницы для ДНК ».

Якуб Виктор, исследователь

Этикетка на RecA вместе с флуоресцентными маркерами на ДНК позволяет исследователям точно отслеживать каждый этап процесса; например, они приходят к выводу, что весь ремонт завершается в среднем за 15 минут, а шаблон находится примерно через девять. Используя микроскопию, Эльф и его команда исследуют судьбу места разрыва и его гомологичной копии в режиме реального времени. Они также обнаружили, что клетка реагирует, перестраивая RecA с образованием тонких нитей, охватывающих всю длину клетки.

«Мы можем видеть образование тонкой гибкой структуры, которая выступает из места разрыва сразу после повреждения ДНК. Поскольку концы ДНК включены в это волокно, достаточно, чтобы любая часть нити нашла драгоценный шаблон. и, таким образом, поиск теоретически сокращается с трех до двух измерений. Наша модель предполагает, что это ключ к быстрому и успешному восстановлению гомологии », – говорит Арвид Гинно, который работал над проектом на протяжении всей своей докторской диссертации.

Переход от трехмерного поиска к двумерному действительно является значительным улучшением с точки зрения вероятности нахождения гомологичной последовательности достаточно быстро или фактически вообще. Как сказал японский математик Шизуо Какутани: «Пьяный человек найдет дорогу домой, но пьяная птица может пропасть навсегда». Этими словами он попытался объяснить любопытный факт; объект, исследующий двумерную поверхность путем случайного блуждания, рано или поздно вернется в исходную точку, находясь в трехмерном пространстве, вполне вероятно, что он никогда не вернется «домой».

Исследователи из Упсалы провели свое исследование на модельном организме E. coli, но процесс восстановления гомологии почти идентичен для высших организмов, таких как мы, или голуби в этом отношении. Повреждение ДНК часто происходит в нашем организме, и без способности восстанавливать поврежденную ДНК мы были бы чрезвычайно уязвимы, например, к ультрафиолетовому излучению и реактивным формам кислорода, и с большей вероятностью заболели бы раком. Фактически, большинство онкогенов связано с репарацией ДНК, и новые механистические идеи могут помочь нам понять причины роста опухоли.