Суперскрученная ДНК оказалась необычно подвижной

Молекулярные биологи из Бейлорского медицинского колледжа провели наиболее масштабное на сегодняшний день исследование конформации суперскрученой ДНК на уровне отдельных молекул. Оказалось, что топологическое напряжение значительно меняет свойства нуклеиновой кислоты: делает ее существенно более подвижной, чем можно было ожидать на основе «канонической» структуры Уотсона и Крика, которая верна для релаксированных линейных молекул. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Суперскрученными называют молекулы ДНК, которые несут в себе топологическое напряжение. Проще всего это представить в аналогии с канатом: если канат состоит из двух веревок (нитей ДНК), то соединив канат в кольцо можно получить несколько по-разному перекрученных форм. Например, если перед соединением концов каната предварительно раскрутить веревки, то получится негативно суперскрученное («недокрученное») кольцо. Если предватительно перекрутить веревки сильнее, чем они закручены в нормальном состоянии, получится положительно суперскрученное («перекрученное») кольцо. В обоих случаях кольцо каната (и ДНК) будет пытаться компенсировать недо- и перекрученность сверхвитками, то есть оборачиванием вокруг самого себя (в противоположную сторону).

В новой работе молекулярные биологи проанализировали поведение таких суперскрученных витков на уровне отдельных молекул. Сделано это было методом криомикроскопии. Сначала ученые выделили чистые препараты кольцевой ДНК с разной степенью суперскрученности (с одним, двумя, тремя и т.д. дополнительными или недостающими витками). Затем эти препараты заморозили, рассмотрели индивидуальные молекулы такой ДНК в электронном микроскопе, составили трехмерные модели этих слепков и провели компьютерный «фиттинг» моделей молекул в слепки.

Оказалось, что топологическое напряжение делает молекулы с одним и тем же уровнем суперскрученности гораздо более разнообразными, чем принято было думать до сих пор. Существует выраженная тенденция к тому, чтобы релаксированные молекулы принимали кольцевую форму, а суперскрученные (и негативные, и позитивные) — форму, близкую из-за большого числа супервитков к «палочке» (из-за этого, кстати, они с разной скоростью двигаются в геле под действием электрического поля). Эта тенденция уже была хорошо известна, однако разброс в форме все равно оказался очень большой — больше, чем предсказывает молекулярное моделирование, основанное на линейной B-форме ДНК.

Изучение топологии нуклеиновых кислот имеет прямое отношение повседневной жизни клетки: и у бактерий, чей геном существует в форме кольцевой ДНК, и у ядерных организмов, подвижность ДНК которых скована белками, нуклеиновая кислота всегда существует в напряженной форме (обычно — отрицательной). И эта напряженность напрямую влияет на работу генов, делая их более или менее удобными для посадки соответствующих регуляторных белков.