Раскрыт секрет спиральной структуры ДНК

Нити ДНК удерживаются вместе гидрофобными силами

Для того чтобы ДНК была прочитана, реплицирована или восстановлена, молекулы ДНК должны открыться сами. Это происходит, когда клетки используют каталитический белок для создания гидрофобной среды вокруг молекулы ДНК.

Гидрофобный катализ и потенциальная биологическая роль расщепления ДНК, вызванного воздействием окружающей среды

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции (Chalmers University of Technology) опровергают господствующую теорию о том, как ДНК связывает себя. Это не водородные связи, как принято считать, которые связывают вместе две стороны структуры ДНК. Вместо этого, вода является ключом. Открытие открывает двери для нового понимания в исследованиях в области медицины и наук о жизни. Выводы исследователей представлены в журнале PNAS.

ДНК состоит из двух нитей, состоящих из молекул сахара и фосфатных групп. Между этими двумя нитями находятся азотистые основания, соединения, составляющие гены организмов, с водородными связями между ними. До сих пор считалось, что именно эти водородные связи удерживают две нити вместе.

Но теперь исследователи из Технологического университета Чалмерса показывают, что секрет спиральной структуры ДНК может заключаться в том, что молекулы имеют гидрофобное внутреннее пространство в среде, состоящей в основном из воды. Поэтому окружающая среда является гидрофильной, в то время как азотистые основания молекул ДНК являются гидрофобными, отталкивающими окружающую воду. Когда гидрофобные единицы находятся в гидрофильной среде, они группируются вместе, чтобы минимизировать их воздействие на воду.

Роль водородных связей, которые ранее рассматривались как решающие для удержания спиралей ДНК вместе, по-видимому, больше связана с сортировкой пар оснований, так что они соединяются вместе в правильной последовательности.

Это открытие имеет решающее значение для понимания отношений ДНК прокариот и эукариот с окружающей средой

«Клетки хотят защитить свою ДНК, а не подвергать ее воздействию гидрофобных сред, которые иногда могут содержать вредные молекулы», - говорит Бобо Фенг, один из авторов исследования. «Но в то же время ДНК клеток должны открыться, чтобы их можно было использовать».

«Мы считаем, что клетка большую часть времени хранит свою ДНК в водном растворе, но как только клетка хочет что-то сделать со своей ДНК, например, прочитать, скопировать или восстановить ее, она подвергает ДНК воздействию гидрофобной среды».

Например, воспроизводство подразумевает, что пары оснований распадаются друг от друга и раскрываются. Ферменты затем копируют обе стороны спирали, чтобы создать новую ДНК. Когда дело доходит до восстановления поврежденной ДНК, поврежденные участки подвергаются гидрофобной среде и подлежат замене. Каталитический белок создает гидрофобную среду. Этот тип белка занимает центральное место в восстановлении ДНК, а это значит, что он может стать ключом к борьбе со многими серьезными заболеваниями.

Понимание этих белков может дать много новых идей о том, как мы можем, например, бороться с устойчивыми бактериями или потенциально даже вылечить рак. Бактерии используют белок под названием RecA для восстановления своей ДНК, и исследователи полагают, что их результаты могут дать новое представление о том, как этот процесс работает - потенциально предлагая методы его остановки и тем самым убивая бактерии.

В клетках человека белок Rad51 восстанавливает ДНК и фиксирует мутировавшие последовательности ДНК, которые в противном случае могли бы привести к раку.

«Чтобы понять рак, нам нужно понять, как восстанавливается ДНК. Чтобы понять это, нам нужно сначала понять саму ДНК», - говорит Бобо Фенг. «До сих пор мы этого не сделали, потому что мы считали, что водородные связи были тем, что удерживало все вместе. Теперь мы показали, что вместо этого лежат гидрофобные силы. Мы также показали, что ДНК ведет себя совершенно по-разному в гидрофобной среде. Это может помочь нам понять ДНК и то, как она восстанавливается. Никто ранее не помещал ДНК в такую гидрофобную среду и не изучал, как она ведет себя, поэтому неудивительно, что никто не обнаружил этого до сих пор».

Подробнее о методах, которые использовали исследователи, чтобы показать, как ДНК связывается вместе:

Исследователи изучили, как ДНК ведет себя в среде, которая является более гидрофобной, чем обычно (они стали первыми, кто использовал этот метод).

Они использовали гидрофобный раствор полиэтиленгликоля, и шаг за шагом меняли окружение ДНК с естественно гидрофильной среды на гидрофобную. Они стремились выяснить, есть ли предел, когда ДНК начинает терять свою структуру, когда у ДНК нет причин связываться, потому что окружающая среда больше не является гидрофильной. Исследователи заметили, что когда раствор достиг границы между гидрофильным и гидрофобным, характерная спиральная форма молекул ДНК начала распутываться.

При ближайшем рассмотрении они заметили, что когда пары оснований отделяются друг от друга (из-за внешнего воздействия или просто от случайных движений), в структуре образуются отверстия, позволяющие воде просачиваться внутрь. Поскольку ДНК хочет сохранить свою внутреннюю часть сухой, она сжимается вместе, и пары оснований снова собираются вместе, чтобы выдавить воду. В гидрофобной среде эта вода отсутствует, поэтому отверстия остаются на месте.

Источник: Материалы предоставлены Chalmers University of Technology

Статья в журнале: Bobo Feng, et al. Hydrophobic catalysis and a potential biological role of DNA unstacking induced by environment effects. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 116 (35)