Иллюстрация нити RecA. Предоставлено: Дэвид Гудселл.
Как можно исправить сломанную ячейку ДНК использование другой копии ДНК в качестве шаблона на протяжении многих лет озадачивало исследователей. Как можно найти правильные последовательности в оживленном интерьере камеры? Исследователи из Уппсальского университета нашли решение; с завязанными глазами найти веревку легче, чем мяч.
Когда молекула ДНК распадается на две части, судьба клетки оказывается под угрозой. С точки зрения бактерии, быстрое исправление поломки — вопрос жизни и смерти. Но исправить ДНК, не внося ошибок в последовательность, сложно; ремонтная техника должна найти шаблон. Процесс восстановления поврежденной ДНК с использованием матрицы из сестринской хромосомы известен как гомологичная рекомбинация и хорошо описан в литературе. Однако описание обычно игнорирует сложную задачу поиска подходящего шаблона среди всех других последовательностей генома. Хромосома представляет собой сложную структуру с несколькими миллионами пар оснований генетического кода, и совершенно ясно, что простая диффузия в трехмерном пространстве в долгосрочной перспективе не будет достаточно быстрой. Но тогда как это делается? Это было загадкой гомологичной рекомбинации в течение 3 лет. Из предыдущих исследований ясно, что молекула RecA играет важную роль в по области применения процесс, но до сих пор это было пределом нашего понимания этого процесса.
Теперь группа исследователей Упсалы во главе с профессором Йоханом Эльфом наконец нашла решение этой поисковой загадки. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, они используют методику на основе CRISPR для создания контролируемых разрывов ДНК у бактерий. Выращивая клетки в микрожидкостном культуральном чипе и отслеживая меченые молекулы RecA с помощью флуоресцентной микроскопии, исследователи могут визуализировать процесс гомологичной рекомбинации от начала до конца.
«Микрожидкостный культуральный чип позволяет нам одновременно отслеживать судьбу тысяч отдельных бактерий и вовремя контролировать вызванные CRISPR разрывы ДНК. Это очень точно, почти как пара крошечных ножниц для ДНК », - говорит Якуб Виктор, один из исследователей, стоящих за исследованием.
Этикетка на RecA вместе с флуоресцентными маркерами на ДНК позволяет исследователям точно следить за каждым этапом процесса; например, они приходят к выводу, что весь ремонт завершается в среднем за 15 минут, а шаблон находится примерно через девять. Используя микроскопию, Эльф и его команда исследуют судьбу места разрыва и его гомологичной копии в режиме реального времени. Они также обнаружили, что клетка реагирует перестройкой RecA с образованием тонких нитей, охватывающих всю длину клетки.
«Мы видим формирование тонкой гибкой структуры, которая выступает из места разрыва сразу после повреждения ДНК. Поскольку концы ДНК включены в это волокно, достаточно, чтобы любая часть волокна нашла драгоценный шаблон, и, таким образом, поиск теоретически сокращается с трех до двух измерений. Наша модель предполагает, что это ключ к быстрому и успешному восстановлению гомологии », - говорит Арвид Гинно, который работал над проектом на протяжении всей своей учебы в докторантуре.
Переход от трехмерного поиска к двумерному действительно является значительным улучшением с точки зрения вероятности найти гомологичную последовательность достаточно быстро или фактически вообще. Как сказал японский математик Шизуо Какутани: «Пьяный человек найдет дорогу домой, а пьяная птица может пропасть навсегда». Этими словами он попытался объяснить любопытный факт; объект, исследующий двумерную поверхность путем случайного блуждания, рано или поздно вернется в исходную точку, находясь в трехмерном пространстве, вполне вероятно, что он никогда не вернется «домой».
Ученые из Упсалы провели свое исследование на модельном организме E. coli, но процесс восстановления гомологии почти идентичен для высших организмов, таких как мы, или голуби в этом отношении. Повреждение ДНК часто происходит в нашем организме, и без способности восстанавливать поврежденную ДНК мы были бы чрезвычайно уязвимы, например, к ультрафиолетовому излучению и реактивным формам кислорода, и с большей вероятностью заболели бы раком. Фактически, большинство онкогенов связано с репарацией ДНК, и новые механистические идеи могут помочь нам понять причины роста опухоли.
Ссылка: «RecA находит гомологичную ДНК путем поиска с уменьшенной размерностью» Якуба Виктора, Арвида Х. Гинно, Пруна Лероя, Джимми Ларссона, Джованны Кочано, Иларии Теста и Йохана Эльфа, 1 сентября 2021 г., природа.
DOI: 10.1038/s41586-021-03877-6
