Изучая трехмерную структуру белков, связанных с ДНК у микробов, называемых археями, исследователи обнаружили удивительное сходство с упаковкой ДНК у более сложных организмов. «Если вы посмотрите на мельчайшие детали, они идентичны», - говорит исследователь Медицинского института Говарда Хьюза Каролин Люгер, структурный биолог и биохимик из Университета Колорадо в Боулдере. «Это просто сводит меня с ума».
Фолдинг ДНК архей, о котором сообщалось в журнале Science 10 августа, намекает на эволюционное происхождение фолдинга генома, процесса, который включает в себя изгибание ДНК и который удивительно консервативен у всех эукариот (организмов, которые имеют определенное ядро, окруженное мембрана). Подобно эукариям и бактериям, археи представляют собой одну из трех областей жизни. Но считается, что археи включают в себя ближайших живых родственников древнего предка, который первым пришел к идее складывания ДНК.
Ученым давно известно, что клетки всех эукариот, от рыб до деревьев и людей, упаковывают ДНК совершенно одинаково. Нити ДНК намотаны на «хоккейную шайбу», состоящую из восьми гистоновых белков, образуя так называемую нуклеосому. Нуклеосомы нанизаны на нить ДНК, образуя структуру «бусинки на нитке». Всеобщее сохранение этого генетического ожерелья ставит вопрос о его происхождении.
Если все эукариоты имеют одинаковый стиль изгиба ДНК, «тогда они, должно быть, произошли от общего предка», - говорит соавтор исследования Джон Рив, микробиолог из Университета штата Огайо. «Но кто был этот предок, никто не задавался вопросом».
В более ранней работе Рива были обнаружены гистоновые белки в клетках архей. Но археи - это прокариоты (микроорганизмы без определенного ядра), поэтому было неясно, что именно делают эти гистоновые белки. Изучая подробную структуру кристалла, содержащего ДНК, связанную с гистонами архей, новое исследование показывает, как именно работает упаковка ДНК.
Люгер и ее коллеги хотели получить кристаллы комплекса гистон-ДНК у Methanothermus fervidus, теплолюбивого вида архей. Затем они хотели бомбардировать кристаллы рентгеновскими лучами. Этот метод, называемый рентгеновской кристаллографией, дает точную информацию о положении каждой аминокислоты и нуклеотида в изучаемых молекулах. Но вырастить кристаллы было сложно (гистоны прикреплялись к любому отдельному участку ДНК, что затрудняло создание согласованных структур гистон-ДНК), и разобраться в данных, которые они могли получить, было непросто. «Это была очень сложная кристаллографическая задача», - говорит Люгер.
И все же Люгер и ее коллеги упорствовали. Постдокторский исследователь Судипта Бхаттачарья «победил эту штуку изо всех сил», говорит Люгер, и в конечном итоге разгадал структуру. Исследователи обнаружили, что, несмотря на использование одного типа гистонов (а не четырех, как у эукариот), археи складывали ДНК очень знакомым образом, создавая такие же изгибы, как и в эукариотических нуклеосомах.
Но были и отличия. Вместо отдельных бусин на нитке ДНК архей образовывала длинную суперспираль, единую большую кривую уже извилистых нитей ДНК. «В Archaea у вас есть один единственный строительный блок», - говорит Люгер. «Нет ничего, чтобы остановить это. На самом деле это почти как непрерывная нуклеосома».
Эта суперспираль, оказывается, важна. Когда постдокторант Франческа Маттироли вместе с лабораторией Сантанджело создала мутации, нарушающие эту структуру, у клеток возникли проблемы с ростом в стрессовых условиях. Более того, клетки, похоже, неправильно использовали набор своих генов. «С этими мутациями ясно, что они не могут формировать эти участки», - говорит Маттироли из Колорадского университета в Боулдере.
Результаты предполагают, что фолдинг ДНК архей является ранним прототипом эукариотической нуклеосомы. «Я не думаю, что есть какие-либо сомнения в том, что это наследственное», - говорит Рив.
Тем не менее, остается много вопросов. Люгер говорит, что хотела бы найти недостающее звено - структуру, подобную нуклеосоме, которая заполняет пробел между простой складкой архей и сложной нуклеосомой эукариот, которая может упаковывать огромное количество ДНК в маленькое пространство и регулировать гены. поведение во многих отношениях. - Как мы попали отсюда сюда? - спрашивает она.