Білки SMC можуть змінювати напрямок, переформовувати ДНК і вирішувати ключові наукові суперечки Це відкриття може суттєво вплинути на дослідження захворювань, пов’язаних із генами. Науковці з Делфта, Відня та Лозанни встановили, що білкові машини, відповідальні за структурування нашої ДНК, здатні змінювати свій напрямок руху.
Раніше вважалося, що моторні білки SMC, які утворюють петлі в ДНК, можуть рухатися лише в одному напрямку. Це революційне відкриття, опубліковане в журналі Cell, надає важливу інформацію про те, як ці мотори організовують наш геном і регулюють активність генів.
Як білки зв’язують ДНК
“Іноді клітина повинна швидко змінити, які гени активувати, а які – вимкнути, наприклад, у відповідь на їжу, алкоголь або тепло. Щоб вмикати й вимикати гени, клітини використовують білкові мотори SMC (структурного обслуговування хромосом), які діють як перемикачі, що з’єднують різні ділянки ДНК,” пояснює Роман Барт, перший автор дослідження.
“Проте SMC-машини природно не знають, які частини ДНК потрібно з’єднати. Вони просто закріплюються десь на ДНК і починають формувати її в петлю, поки не дійдуть до точки, де змушені зупинитися. Тому ці мотори значною мірою покладаються на здатність досліджувати обидва боки ДНК, щоб знайти правильні ‘знаки зупинки’.”
«Коробка передач» для ДНК
Біофізики з Делфтського технологічного університету з’ясували, що мотори SMC можуть змінювати напрямок руху, що раніше вважалося неможливим.
Ілюстрація роботи ДНК-моторів: зображення показує петлю ДНК, сформовану білковою машиною SMC. Червоні та зелені мітки відзначають важелі передач NIPBL, які змінюють напрямок роботи машини. (Cees Dekker lab, University of Technology Delft, the Netherlands & SciXel)
“Наші експерименти показують, що SMC-мотори спочатку тягнуть ДНК з одного боку, а потім змінюють напрямок і починають тягнути з іншого боку. Так вони поступово утворюють петлю, втягуючи ДНК з обох боків. Ми з’ясували, що це стосується всіх типів SMC-моторів, а їх існує багато,” – розповідає професор Кіс Деккер, який керував дослідженням.
“Це схоже на коробку передач у машині: за допомогою ручного важеля можна змусити автомобіль рухатися вперед або назад. Ми навіть визначили ‘важіль перемикання передач’ – білковий субодиницю NIPBL у моторному білку SMC.”
Вражаючі досягнення нанотехнологій
Щоб виявити «зворотну передачу» SMC-моторів, дослідники використовували передовий мікроскоп власного виготовлення для вивчення окремих білків на молекулах ДНК.
“Це саме по собі є вражаючим досягненням,” пояснює Барт. “Одна клітина містить мільйони білків, а людське тіло складається з трильйонів клітин. Витягти кілька білків і спостерігати за ними поодинці – це диво нанотехнологій. Це включає візуалізацію на нанометровому масштабі – у 100 000 разів меншому за ширину людської волосини.”
Зв’язок із нейродегенеративними захворюваннями
“Як тільки ми зрозуміємо, як молекулярні мотори SMC формують ДНК, ми зможемо почати досліджувати, що саме йде не так при захворюваннях, таких як рак чи нейродегенеративні розлади, і найважливіше – як це виправити,” зазначає Барт.
“Наприклад, нейродегенеративні захворювання можуть бути результатом порушень у регуляції генів на ранніх етапах вагітності. Насправді, є кілька тяжких захворювань, таких як синдром Корнелії де Ланге, які пов’язані з роботою SMC, де мотори, ймовірно, неправильно перемикаються всередині клітин ембріона.”
Наука в дії
Це дослідження нарешті вирішує тривалі суперечки в науковій спільноті щодо того, як працюють мотори SMC. Раніше частина дослідників вважала, що SMC рухаються лише в одному напрямку, тоді як інші припускали, що вони одночасно втягували ДНК з обох боків.
“Виявлення спільних рис у моторах SMC допомагає сфокусувати й оптимізувати дослідження в цій галузі. Тепер нам не потрібно шукати новий механізм для кожного окремого типу SMC-білків. Це також прискорить розвиток прикладної науки. Я буду радий побачити, як ці знання потрапляють у фармацевтичні компанії, лікарні та, зрештою, в кабінети лікарів,” – підсумовує Барт.