Прежде чем бактерия сможет разделиться, она должна сделать копию своего генетического материала, кольцевых молекул ДНК, которые напоминают сгруппированные резиновые ленты, посредством процесса, называемого репликацией ДНК. В этом процессе две цепи ДНК, составляющие кольцевую молекулу ДНК, раскручиваются и разделяются, чтобы стать матрицами для создания новых цепей.Чтобы гарантировать, что процесс хорошо регулируется, бактерия установила ряд «препятствий» или участков терминации на ДНК, чтобы гарантировать постоянную остановку вилок репликации, Y-образных структур, образующихся между цепями при расщеплении молекулы ДНК.Исследование природы, проведенное доктором философии КАУСТ. студент Мохамед Эльшенави и доцент Самир Хамдан из отдела биологических и экологических наук и инженерии KAUST вместе с коллегами из Университета Вуллонгонга в Австралии показали, почему сайты терминации способны навсегда останавливать репликационные вилки in vitro, находясь в живых бактериях и т. д. более 50 процентов вилок репликации, которые двигались к сайту терминации, продолжали синтез без остановки1.
Сайт терминации включает последовательность терминации из 23 пар оснований (Ter), связанную с веществом утилизации конца белка (Tus). Тус-Тер необычен тем, что он действует как храповой узел на канате для лазания, позволяя развиваться репликации в одном направлении, но не в другом. Эта полярность создает «ловушку», которая позволяет первой приходящей вилке войти, но не покинуть конечную область, пока не прибудет другая вилка.Хамдан и его команда подозревали, что энергия движения (или кинетики) могла воздействовать на эти места завершения.
Они использовали визуализацию одиночных молекул для записи молекулярных фильмов, которые увеличивали с высоким временным и пространственным разрешением судьбу вилок репликации Escherichia coli, когда они приближались к сайту терминации с любого направления.Их результаты показали, что эффективность остановки вилки ослаблена кинетической конкуренцией между скоростью разделения цепей с помощью двигателя геликазы на вилке и скоростью перестройки взаимодействий Tus-Ter, которые поддерживают сильное сцепление Tus с ДНК. Это означает, что более быстрые вилки побеждают перестройку Tus-Ter и смещают Tus, в то время как более медленные эффективно блокируются.Это разрешает давнюю загадку, которая омрачила наше понимание репликации ДНК, а также имеет важные последствия для всех сфер жизни.
«Эти открытия поразительны для области энзимологии», — заявил Хамдан. Он отметил, что демонстрация того, что скорости отдельных ферментов колеблются во время катализа и что скорости могут различаться между предположительно идентичными молекулами ферментов, являются новым вкладом в визуализацию отдельных молекул в биологию.«Это исследование впервые продемонстрировало, что эти внутренние свойства молекул ферментов действительно влияют на биологию», — пояснил Хамдан.Связь между молекулярными моторами и белками, связывающими двухцепочечную ДНК, является общей особенностью репликации, репарации, рекомбинации и транскрипции ДНК, а также в случаях, когда между этими процессами возникает конфликт.
По словам Хамдана, развитие различных реакций на среднюю скорость различных молекулярных моторов может регулировать связь между этими процессами.
