Молекулы жизни скручены. Но как эти знакомые нити в двойной спирали ДНК могут размножаться, не запутываясь, было трудно понять. Новая точка зрения физиков Корнелла помогает разгадать тайну.
Исследователи подошли к проблеме с топологической точки зрения, спрашивая, какое влияние сама форма спирали оказывает на репликацию ДНК. Используя эукариоты, которые составляют подавляющее большинство живых существ, в качестве своей модельной системы, они обнаружили, что внутренние механические свойства хроматина (комплекса ДНК и белков) определяют, как будут переплетаться волокна хроматина.
Эта топология имеет решающее значение для успешного разделения вновь реплицированной ДНК: если волокна слишком сильно скручиваются слишком рано, молекулы не могут должным образом разделиться во время деления клетки.
«Это исследование подчеркивает важность физических принципов в фундаментальных биологических процессах», — говорит ведущий автор Мишель Ван, профессор физики в Колледже искусств и наук и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.
Статья «Синергетическая координация торсионной механики хроматина и активности топоизомеразы», опубликованная 17 октября в Cell.
Во время репликации ДНК — когда реплисома расщепляет две нити ДНК и движется вперед — ДНК также должна вращаться вокруг спиральной оси. Это подвергает ДНК значительному напряжению при кручении, что приводит к дополнительному повороту ДНК.
Вопрос: куда уходит дополнительный поворот? Если дополнительный поворот идет только к передней части replisome, то две дочерние молекулы ДНК не запутаются, поэтому они могут разделиться. Однако, если дополнительный поворот идет к задней части replisome, то две дочерние молекулы ДНК запутаются и не смогут разделиться. Это создаст серьезную проблему для сегрегации хромосом во время деления клеток, что может вызвать повреждение ДНК и привести к гибели клеток или раку.
Исследователи обнаружили, что скручивание одного волокна хроматина намного проще, чем скручивание двойного волокна. Это означает, что дополнительный поворот будет преимущественно идти вперед, тем самым сводя к минимуму переплетение двух дочерних молекул ДНК.
«Хотя хроматин обычно считается препятствием для репликации, — сказал Ван, — наши результаты показывают, что хроматин также упрощает топологию репликации и, таким образом, облегчает динамику репликации. Мы считаем, что это довольно примечательно».
В отдельном эксперименте исследователи обнаружили, что фермент, который распутывает ДНК (топоизомеразу II), сильно предпочитает одиночное волокно хроматина спереди. Механика хроматина и активность топоизомеразы, по-видимому, координируются синергетически, чтобы уменьшить переплетение дочерних нитей.
Чтобы понять, как хроматин ведет себя механически, исследователи должны были создать новые способы обращения с ним. Создание подложки из плетеных хроматиновых волокон ранее не предпринималось, из-за сложности задачи. Ванг и ее команда использовали инструмент угловой оптической ловушки, который ранее разработала ее группа, а также другие методы для создания и работы как с одиночными, так и с плетеными подложками из хроматинового волокна, что позволило им изучить их механические свойства при кручении.
