Учёные впервые сняли, как две молекулы ДНК застёгиваются вместе

Исследователи из университетов Шеффилда и Йорка впервые напрямую визуализировали момент сближения двух двойных спиралей ДНК. Для этого понадобился атомно-силовой микроскоп высокого разрешения, и то, что было на нём видно, объяснило загадку, занимавшую учёных более 20 лет. Результаты опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.

Загадка: как одинаково заряженные молекулы притягиваются

Молекулы ДНК несут отрицательный электрический заряд по всей длине. По законам электростатики одинаковые заряды отталкиваются. Значит, два отрезка ДНК не должны приближаться друг к другу. Однако внутри живых клеток они регулярно это делают — иначе невозможны такие фундаментальные процессы, как генетическая рекомбинация (обмен участками между хромосомами), замалчивание генов и упаковка ДНК в клеточное ядро. Как именно это происходит, оставалось неизвестным.

Более двадцати лет назад была предложена теоретическая модель «электростатической застёжки-молнии» ДНК: положительно заряженные ионы металлов вклиниваются между бороздками двойных спиралей, нейтрализуют отрицательный заряд и создают притяжение между цепочками. Но прямого наблюдения за этим процессом не было.

Первая живая запись

Используя атомно-силовой микроскоп, учёные наблюдали, как короткие фрагменты ДНК точно совмещаются — бороздка к бороздке. Параллельно проводилось компьютерное молекулярное моделирование, которое подтвердило роль ионов металлов.

Ключевые результаты исследования:

• Положительно заряженные ионы никеля, магния и кальция действовали как молекулярные мостики между отрицательно заряженными спиралями ДНК.
• Ионы вклиниваются в бороздки спирали и создают тяготение между молекулами.
• Определённые последовательности оснований образуют более прочные контакты, чем другие — возникают «горячие точки» особой стабильности.
• Визуализация впервые напрямую подтвердила теоретическую модель «ДНК-застёжки», не проверявшуюся таким образом с момента её появления более 20 лет назад.

Значение открытия

Понимание того, как две молекулы ДНК «находят» друг друга в ядре клетки, важно для базовой науки: оно объясняет механику рекомбинации, которая необходима для правильного разделения хромосом при делении клеток, и может со временем дать инструменты для более точного изучения того, где и как нарушается этот процесс при болезнях.

«То, что мы смогли непосредственно наблюдать этот давно предполагавшийся механизм впервые, — невероятно, — говорит соавтор исследования доктор Томас Кэтли из Шеффилда. — Передовые методы визуализации позволили нам раскрыть ключевые взаимодействия ДНК».

Читайте также по теме: исследовании современной эволюции человека по данным биобанка.

Авторы подчёркивают, что выявленный механизм описывает лабораторные условия, и переносить его напрямую на терапевтические выводы пока не следует.