Ілюстрація нитки RecA. Авторство зображення: Девід Гудселл
Як клітина може відновити зламану ДНК Використання іншої копії ДНК як шаблону роками спантеличило дослідників. Як можна знайти правильні послідовності в зайнятому внутрішньому просторі клітини? Дослідники з Упсальського університету тепер знайшли рішення; легше знайти мотузку, ніж м'яч, якщо у вас зав'язані очі.
Коли молекула ДНК розривається на дві частини, доля клітини опиняється під загрозою. З точки зору бактерії, швидке усунення розриву є питанням життя і смерті. Але виправити ДНК без внесення помилок у послідовність складно; техніці для ремонту потрібно знайти шаблон. Процес загоєння пошкодженої ДНК за допомогою матриці із сестринської хромосоми відомий як гомологічна рекомбінація і добре описаний у літературі. Однак опис зазвичай ігнорує складне завдання пошуку відповідного шаблону серед усіх інших послідовностей генома. Хромосома — це складна структура з кількома мільйонами пар основ генетичного коду, і цілком зрозуміло, що проста дифузія в 3D не буде досить швидкою. Але як це робиться? Це була таємниця гомологічної рекомбінації протягом 50 років. З попередніх досліджень ясно, що молекула RecA бере участь і має важливе значення в пошук але досі це було межею нашого розуміння цього процесу.
Тепер група дослідників з Уппсали на чолі з професором Йоханом Ельфом нарешті знайшла рішення цієї пошукової загадки. У дослідженні, опублікованому в Nature, вони використовують методику на основі CRISPR для здійснення контрольованих розривів ДНК у бактеріях. Вирощуючи клітини в мікрофлюїдному культуральному чіпі та відстежуючи мічені молекули RecA за допомогою флуоресцентної мікроскопії, дослідники можуть відобразити процес гомологічної рекомбінації від початку до кінця.
«Мікрофлюїдний культуральний чіп дозволяє нам стежити за долею тисяч окремих бактерій одночасно та вчасно контролювати розриви ДНК, спричинені CRISPR. Це дуже точно, майже як крихітні ножиці для ДНК», — говорить Якуб Віктор, один із дослідників, які стоять за дослідженням.
Мітка на RecA разом із флуоресцентними маркерами на ДНК дозволяє дослідникам точно стежити за кожним кроком процесу; наприклад, вони дійшли висновку, що весь ремонт завершується в середньому за 15 хвилин, а шаблон знаходиться приблизно через дев’ять. За допомогою мікроскопії Ельф і його команда досліджують долю місця розриву та його гомологічної копії в режимі реального часу. Вони також виявили, що клітина реагує шляхом перегрупування RecA з утворенням тонких ниток, які охоплюють довжину клітини.
«Ми бачимо утворення тонкої гнучкої структури, яка виступає з місця розриву одразу після пошкодження ДНК. Оскільки кінці ДНК включені в це волокно, достатньо, щоб будь-яка частина нитки знаходила дорогоцінний шаблон, і таким чином пошук теоретично скорочується з трьох до двох вимірів. Наша модель припускає, що це ключ до швидкого та успішного відновлення гомології», — говорить Арвід Гінно, який працював над проектом протягом усього свого докторського навчання.
Перехід від 3D до 2D пошуку справді є значним покращенням щодо ймовірності знайти гомологічну послідовність досить швидко або, по суті, взагалі. Як сказав японський математик Шизуо Какутані: «П'яна людина знайде дорогу додому, але п'яний птах може бути втраченим назавжди». Цими словами він намагався пояснити цікавий факт; об’єкт, який досліджує 2D-поверхню випадковим кроком, рано чи пізно знайде свій шлях назад до своєї вихідної точки, перебуваючи в 3D-просторі, ймовірно, що він ніколи не повернеться «додому».
Дослідники з Уппсали провели дослідження на модельному організмі E. coli, але процес відновлення гомології майже ідентичний для вищих організмів, таких як ми, або голубів. У нашому організмі часто трапляється пошкодження ДНК, і без здатності відновлювати зламану ДНК ми були б надзвичайно вразливими, наприклад, до ультрафіолетового світла та активних форм кисню, і, швидше за все, розвинули б рак. Насправді більшість онкогенів пов’язані з відновленням ДНК, і нові механізми можуть допомогти нам зрозуміти причини росту пухлини.
Довідка: «RecA знаходить гомологічну ДНК за допомогою пошуку зменшеної розмірності» Якуба Віктора, Арвіда Х. Гінно, Прун Лероя, Джиммі Ларссона, Джованни Кочеано, Іларії Тести та Йохана Ельфа, 1 вересня 2021 р., природа.
DOI: 10.1038/s41586-021-03877-6
