Выяснение того, как работает точное воспроизведение на уровне отдельных молекул и атомов, — одно из величайших достижений современной науки. Однако путешествие следователей еще не завершено. Основная нерешенная часть головоломки — это понимание того, как начинается весь процесс копирования генома.
В новом исследовании становится ясным понимание того, как две стойки двойной спирали разделяются на самых ранних стадиях репликации.В результате многолетнего сотрудничества исследователей из Лондона, Гранд-Рапидса, Мичигана и лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) в Нью-Йорке сообщается о структуре на атомном уровне ферментов двойной геликазы, загруженных лицом к лицу, с двойной спиралью ДНК, видимой в проходящем кольцевом канале. хоть оба геликаса. Конфигурация, являющаяся частью пререпликативного комплекса (pre-RC), никогда ранее не была успешно отображена в этой конфигурации.
Это стало возможным благодаря новой установке цироэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) в Исследовательском институте Ван Андела, где проживает один из ведущих исследователей, доктор Хуйлин Ли. Доктор Ли более десяти лет сотрудничал с доктором Брюсом Стиллманом из CSHL и доктором Кристианом Спеком, профессором биохимии генома и молекулярной биологии Имперского колледжа в Лондоне.
В 1992 году Стилман и его коллеги открыли белковый комплекс, названный комплексом ориджина репликации (ORC), который собирает белковые комплексы во многих местах, называемых «стартовыми сайтами», вдоль двойной спирали, где и начинается репликация. Работа доктора Спека показала, что ORC объединяется с другими белками — Cdc6, Cdt1 и гексамером Mcm2-7 — чтобы начать процесс дублирования ДНК.Многочисленные прошлые усилия показали, как ORC собирает и находит стартовые площадки.
В сложном геноме человека существует множество таких сайтов, организованных по доменам; гораздо меньше в более простых формах жизни, таких как пекарские дрожжи. Новое исследование касается того, что происходит после первоначального распознавания стартовых сайтов и как спираль ДНК может быть раскручена.
Как ярко показано на новых «снимках» крио-ЭМ, двойные шестигранные ферменты геликазы Mcm2-7, которые окружают двойную спираль, выглядят как симметричные насекомые или, возможно, состыкованные друг с другом космические корабли-близнецы. Новая структура дает ответ на вопрос, как двойная спираль расположена внутри канала, который они формируют, и как ДНК взаимодействует с окружающей структурой. На основе этих новых знаний начинает раскрываться понимание того, как две нити ДНК разделяются, долгое время остававшееся загадкой.
«Новые изображения показывают, что после загрузки в двойной гексамер — или DH, как мы называем геликазы, расположенные лицом к лицу, — двойная спираль проходит зигзагообразный путь через центральный канал, который как бы изогнут», авторы объясняют. «Два бочкообразных гексамера расположены таким образом, что готовы раскрутить двойную спираль при активации».Одно следствие особенно важно: скручивание в структуре комплекса, образованного двойными кольцами, создает деформацию кручения: они нагружаются внутренним натяжением, которое делает их чем-то вроде спиральной пружины. Детали в структуре, которые ранее не рассматривались, показывают, как различные белковые субъединицы двойных гексамеров прикрепляются к двойной спирали через крошечные петлеобразные структуры.Сценарий, предложенный Ли, Спеком, Стиллманом и их коллегами, заключается в том, что гексамеры-близнецы нагружаются с натяжением, в результате чего одна из двух нитей ДНК, проходящих через них, буквально сжимается с закрытой «дверью» на одной стороне кольца. а другая нить — напротив другой закрытой «двери» на противоположной стороне.
Команда предполагает, что одна из двух дверей распахивается, когда активируется процесс репликации (через вмешательство протеинкиназ и других вспомогательных молекул).Через открытую дверь геликазы — но только с одной стороны — одна нить двойной спирали вытесняется, или «выдавливается».
Команда предполагает, что он станет так называемой «отстающей цепью» в процессе репликации ДНК. Другая цепь, оставшаяся в центре спирального канала, становится «ведущей цепью» в репликации. Молекулярные двигатели, загруженные на два гексамера, обеспечивают энергию для их разделения. Одна активированная геликаза проходит через другую, поскольку репликация каждой цепи происходит в противоположных направлениях, как это было установлено биологами несколько десятилетий назад.
Последние структуры стали возможными благодаря достижениям в технике, называемой криоэлектронной микроскопией, когда электронный луч пропускается через замороженные отдельные частицы белок-ДНК для получения трехмерного изображения, близкого к атомному. Ключевые разработчики широко применяемого сейчас метода получили Нобелевскую премию по химии 2017 года.