Молекулы жизни искривлены. Но как эти знакомые нити двойной спирали ДНК умудряются воспроизводиться, не запутываясь, было трудно понять. Новая точка зрения физиков из Корнелла помогает разгадать тайну.
Исследователи подошли к проблеме с топологической точки зрения, задав вопрос, какое влияние оказывает сама форма спирали на репликацию ДНК. Используя эукариот, составляющих подавляющее большинство живых существ, в качестве 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 скручиваются слишком туго и слишком рано, тогда молекулы не могут должным образом разделиться во время клеточного деления.
«Это исследование подчеркивает важность физических принципов в фундаментальных биологических процессах», - сказала ведущий автор Мишель Ванг, профессор физики Колледжа искусств и наук и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.
Статья «Синергетическая координация механики кручения 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 закручиваться вокруг оси спирали. Это подвергает ДНК сильному скручивающему напряжению, что приводит к дополнительному скручиванию ДНК.
Вопрос: Куда девается дополнительный поворот? Если дополнительная закрутка пойдет только к передней части реплисомы, то две дочерние молекулы ДНК не запутаются и смогут разделиться. Однако, если дополнительный поворот пойдет к задней части реплисомы, то две дочерние молекулы ДНК запутаются и не смогут разделиться. Это создаст серьезную проблему сегрегации хромосом во время клеточного деления, что может вызвать повреждение ДНК и привести к гибели клеток или раку.
Исследователи обнаружили, что скручивание одного хроматинового волокна намного проще, чем скручивание двойного волокна. Это означает, что дополнительное скручивание будет предпочтительно идти вперед, сводя таким образом 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, способствует динамике репликации. Мы считаем, что это довольно примечательно».
В другом эксперименте исследователи обнаружили, что фермент, распутывающий ДНК (топоизомераза II), сильно предпочитает одно хроматиновое волокно впереди. Механика хроматина и активность топоизомеразы, по-видимому, координируются синергическим образом, чтобы уменьшить переплетение дочерних цепей.
Чтобы понять, как хроматин ведет себя механически, исследователям пришлось создать новые способы обращения с ним. Создание субстрата из скрученных хроматиновых волокон ранее не предпринималось из-за сложности задачи. Ван и ее команда использовали инструмент угловой оптической ловушки, который ее группа ранее разработала, а также другие методы для создания и работы как с одиночными, так и с плетеными субстратами из хроматиновых волокон, что позволило им исследовать их механические свойства при кручении..