Биологи составили карту топологического напряжения генома бактерий

Индийско-американская группа биологов составила первую карту суперскручивания ДНК в клетках бактерий. На ней отображается топологическое напряжение, которое испытывает нуклеиновая кислота в разных частях генома. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

«Каноническая» двуцепочечная ДНК Уотсона и Крика представляет собой две закрученные друг об друга спирали, в которых число витков на 10 оснований всегда одинаково. Такую форму молекулы биологи называют релаксированной, то есть в ней нет топологического напряжения. В реальной жизни такая ДНК встречается редко, обычно в клетках две цепочки ДНК либо немного недокручены, либо перекручены — такие молекулы называют отрицательно или положительно суперскрученными. Сохранять топологическое напряжение молекуле удается за счет того, что ее концы либо соединены вместе (кольцевые плазмиды или хромосомы бактерий), либо настолько далеки друг от друга, что просто не могут провернуться и релаксировать.

Интересно, что суперскрученность в живых организмах не является простой неточностью в работе ферментов. Обычно она имеет особую роль: существуют специальные белки, которые, например, не дают топологическому напряжению накапливаться выше некоторого предела и выступают в роли «карабина», вокруг которых ДНК может свободно прокручиваться. Существуют и фермент, который специально вносят в ДНК отрицательную суперскрученность затрачивая на это энергию — бактериальная гираза. Необходимость в таком ферменте диктуется тем, что от статуса суперскрученности зависит легкость связывания белков с ДНК: чем скрученность ниже, чем ДНК более недокручена, тем легче она плавится, обнажая находящиеся внутри основания, с которыми «хочет» связаться белок.

Тем не менее, до сих пор полного глобального атласа суперскрученности в бактериальной ДНК не существовало. Авторы новой статьи собрали такой атлас с помощью нового метода, совместившего химические сшивки с последующим секвенированием фрагментов.

Процедура выглядит следующим образом. К клеткам добавляют особое вещество-интеркалятор, которое встраивается в ДНК между оснований. Ключевой его особенностью является «любовь» к отрицательно суперскрученной ДНК — в такие фрагменты вещество встраивается гораздо легче, чем в релаксированную или положительно суперскрученную нуклеиновую кислоту. После обработки ультрафиолетом между интеркалятором и ДНК происходит временная химическая сшивка. Если затем отсеквенировать образцы, которые были или не были обработаны ультрафиолетом, то разница в количестве (представленности) разных фрагментов укажет на обилие интеркалятора, а, значит, и на статус суперскрученности а этом месте генома.

Результатом работы стала полная карта топологического напряжения в геноме кишечной палочки. Она имеет довольно сложную форму, но общим трендом является падение суперскрученности от места, где начинается синтез ДНК (ориджина) к противоположному концу кольцевой молекулы. Оказалось, что распределение суперскрученности практически совпадает с распределением на ДНК белка HU, который выполняет у бактерий роль «архиватора» генома и в некотором роде аналогичен нуклеосомам.

Кроме того, авторы обнаружили, что статус суперскрученности сильно зависит от темпа жизни бактерий: неравномерность сильно выражена в стационарной фазе, но чем быстрее клетки делятся, тем более равномерно распределено топологическое напряжение в их геноме.

Помимо фундаментального значения, исследование суперскрученности бактериальной ДНК имеет и практическое применение: бактериальная гираза является очень важной мишенью для антибиотиков.

Александр Ершов