Исследование кристаллов может раскрыть тайну ДНК

Когда клетки размножаются, внутренние механизмы, копирующие ДНК, почти каждый раз срабатывают правильно. Биологи из Университета Райса обнаружили крошечную деталь, которая помогает понять, как процесс может пойти не так.

Их исследование ферментов показало, что присутствие центрального иона металла, критического для репликации ДНК, также, по-видимому, связано с неправильным включением, неправильным порядком нуклеотидов в новых цепях.

Наблюдение, опубликованное в Nature Communications, может помочь найти методы лечения генетических мутаций и вызываемых ими заболеваний, включая рак.

Структурный биолог Райса Ян Гао, аспирант Калеб Чанг и выпускница Кристи Ли Луо использовали кристаллографию с временным разрешением для анализа гибких ферментов, называемых полимеразами, когда они изгибаются и скручиваются, чтобы быстро собрать целые нити ДНК из пула C, G, A и T. нуклеотиды.

Все белки, участвующие в репликации ДНК, полагаются на ионы металлов — либо магния, либо марганца — для катализа переноса нуклеотидов в их правильные положения вдоль цепи, но вопрос о том, участвовали ли два или три иона, уже давно является предметом споров.

Команда Райса, похоже, пришла к выводу, что это произошло благодаря изучению полимеразы, известной как эта, фермента синтеза трансфузии, который защищает от повреждений, вызванных ультрафиолетом. По словам исследователей, люди с мутациями в гене poly-eta часто имеют предрасположенность к пигментной ксеродерме и раку кожи.

Гао сказал, что типичные полимеразы напоминают правостороннюю форму, и он думает о них с точки зрения реальной руки: «У них есть домен ладони, который удерживает активный сайт, домен пальца, который закрывается, чтобы взаимодействовать с новой парой оснований, и домен большого пальца, который связывает ДНК праймера / матрицы», — сказал он.

Но до сих пор ученые могли только догадываться о некоторых деталях хорошо скрытого механизма, с помощью которого полимеразы выполняют свою работу и иногда дают сбои. Тип кристаллографии с временным разрешением, используемый в лаборатории Гао, позволил исследователям анализировать белки, кристаллизовавшиеся на 34 промежуточных стадиях, чтобы определить положение их атомов до, во время и после синтеза ДНК.

«Эту кинетическую реакцию трудно уловить, потому что атомов много, и они работают очень быстро, — сказал Гао, доцент кафедры биологических наук, присоединившийся к Райс в качестве научного сотрудника CPRIT в 2019 году. — Мы никогда не знали, как атомы движутся вместе. потому что пространственная информация отсутствовала. Замораживание белков и низкомолекулярного субстрата позволяет нам впервые зафиксировать эту каталитическую реакцию».

Исследование привело к их теории о том, что первый из трех атомов металла в эта поддерживает связывание нуклеотидов, а второй является ключом к поддержанию нуклеотида и праймера на правильном пути, стабилизируя связывание свободных нуклеотидов с праймером, расположенным на существующей половине новая нить (он же субстрат). Праймеры — это короткие нити ДНК, которые отмечают, где полимеразы начинают нанизывать новые нуклеотиды.

«Только когда первые два иона металла находятся под контролем, может появиться третий и запустить реакцию», — сказал Чанг, предполагая, что этот процесс может быть универсальным среди полимераз.

Исследователи также отметили, что полиэта содержит мотив, который делает его склонным к смещению праймеров, что приводит к большей вероятности неправильного включения.

«Это, во-первых, об основном механизме жизни», — сказал Гао. «ДНК нужно копировать точно, а ошибки могут привести к заболеванию человека. Люди, изучающие эти ферменты, знают, что для синтеза ДНК они всегда справляются намного лучше, чем должны, потому что у них очень ограниченное количество энергии, доступной для выбора. правильная пара оснований».

По мнению Гао, основной вывод заключается в доказательстве способности кристаллографии с временным разрешением наблюдать весь каталитический процесс в атомарных деталях.

«Это позволяет нам точно видеть, что происходит в динамическом каталитическом процессе с течением времени», — сказал он.