Физики-биологи из Университета Райса выдвинули новую теорию клеточной механики, которая звучит правдоподобно.
Лаборатория Райса Хосе Онучика определила структуру белкового комплекса конденсина. Работа разрешает разногласия по поводу того, является ли комплекс одиночным кольцом, связывающим две двойные цепи ДНК, или молекулярными «наручниками», состоящими из двух соединенных колец, каждое из которых связывает двойную цепь.
Команда под руководством доктора Райс Даны Крепель использовала набор современных аналитических инструментов, чтобы сделать вывод: это одно кольцо.
Их работа - первый шаг к пониманию активности белков в структуре хромосом на протяжении митоза и всех фаз жизненного цикла клетки. Это понимание поможет ученым узнать, как лучше лечить генетические заболевания, включая рак.
Результаты двухлетнего исследования группы Райс опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Конденсин делает то, о чем говорит это слово: помогает конденсировать хромосомы в ядре клетки. Недавние исследования показали, что конденсин и его белок-партнер когезин вытесняют ДНК. Но до сих пор никто не определился с тем, как белки конденсина объединяются в свои функциональные формы.
Крепель начала свой анализ с бактериальных комплексов конденсина, состоящих из пяти субъединиц, включая два белка структурного обслуживания хромосом (SMC), которые соединяются в виде шарнира, и белки длинного клейзина, составляющие остальную часть кольца. Комплексы в эукариотических ядрах человека - объект для будущего анализа - похожи на их более архаичные аналоги.
Крепель собрал головоломку, объединив и сравнив существующие данные об атомных структурах и генетических последовательностях отдельных белков. Структуры были получены из доступной рентгеновской кристаллографии белковых фрагментов и информации о последовательности с помощью анализа прямого связывания (DCA) - основанной на статистике программы, представленной Онучиком и его коллегами в 2011 году, которая сравнивает аминокислотные остатки в совместно эволюционирующих белках.
«Мы использовали DCA, чтобы вывести совместно эволюционирующие пары аминокислот, и у нас были небольшие кусочки белковых фрагментов из экспериментов», - сказал Крепель. «Это была хорошая отправная точка, а затем нам пришлось собрать их вместе, как пазл. Мы хотели получить полную структуру и урегулировать конфликт по поводу того, будет ли это одинарное или двойное кольцо».
Знание того, как белки эволюционируют вместе, было ключевым.«Это модульный механизм, состоящий из множества белков», - сказал доктор Райс, исследователь и соавтор Мишель Ди Пьерро. «Легче кристаллизовать один белок, но очень сложно понять структуру всего этого комплекса. Вот почему идеально было рассмотреть коэволюцию, которая позволяет нам получить информацию о комплексе, даже если у нас нет структуры."
«Коэволюция в основном связана с естественным отбором», - добавил Райан Ченг, также исследователь с докторской степенью и соавтор статьи. «Поскольку вы получаете случайные мутации, определенные взаимодействия должны быть сохранены, чтобы сохранить функцию этого комплекса».
«Мы ожидаем, что там, где эти два остатка объединяются и совпадают, они будут развиваться вместе», - сказал Онучич. «Если этот производит мутацию и имеет плохую реакцию, другой должен компенсировать это. Дана спросила, можем ли мы получить информацию об этой последовательности вместе с небольшими кристаллическими структурами и определить эти гигантские структуры, и оказалось, что мы можем."
Группа Онучича из Центра теоретической биологической физики Райс (CTBP) опубликовала серию статей, в которых ее теории укладки белков распространяются на гораздо более крупный геном. Он ожидает, что продолжающаяся работа в конечном итоге раскроет механизмы конденсина. «Эти штуки должны уплотнять хромосомы», - сказал он. «Люди это знают. Но никто не знает, как они это делают».
Онучич сказал, что исследования, проведенные другими, показывают, что гибкий шарнир может помочь открывать и закрывать кольцо, выступая в качестве ворот, которые позволяют цепям ДНК входить и выходить, процесс, на который также намекает исследование Райса. Но, не зная положения каждой молекулы в комплексе, невозможно полностью понять ее функцию и динамику.
«Мы знаем, что в этом участвует комплекс конденсина, потому что, если вы удалите его, митоз не произойдет», - сказал он. «Но никто не понимает механизма. Теперь, когда у нас есть эта структура, у нас есть первый шанс понять молекулярные детали».