Коллектив биологов и физиков из Университета северной Каролины разработал новый метод на основе атомно-силовой микроскопии, который позволяет проследить движение ДНК как снаружи, так и внутри ДНК-белковых комплексов. Этот метод позволил исследователям рассмотреть в деталях теломеры — «затычки» на концах хромосом,работа которых имеет ключевое значение для контроля молекулярного старения и предотвращения ракового перерождения.Исследование опубликовано в журнале*Scientific Reports*.

Метод, позволяющий рассмотреть на микрофотографиях отдельно ДНК и белок авторы назвали DREEM (Dual-Resonance-frequency-Enhanced Electrostaticforce Microscopy), что можно перевести как электростатическая атомно-силовая микроскопия, усиленная двойным резонансом. В общих чертах ее принцип работы мало отличается от обычной атомно-силовой микроскопии: исследуемый препарат наносится на подложку, а затем ощупывается с помощью тончайшей иглы-кантилевера (примерно так же игла граммофона ощупывает звуковую дорожку на пластинке).

Сворачивание ДНК на нуклеосомах: обычная атомно-силовая микроскопия, DREEM, моделирование. Видно, как на снимках DREEM идет светлая борозда ДНК по темному белку нуклеосомы. Parminder Kaur et al., Scientific Reports, 2016

Отличие нового метода заключается в том, что на подложку подается переменное электрическое напряжение. В результате игла-кантилевер «чувствует» не только механические подъемы и провалы на поверхности молекул ,но и реагирует на их заряд. Поскольку заряд ДНК (в целом отрицательный )отличается от заряда, белков (преимущественно положительного), DREEM позволяет «видеть», где находится какая молекула. Интересно, что таким образом можно получать данные не только о молекулах, экспонированных на поверхности, но и о том, что спрятано внутри молекулярного комплекса.

Принцип нового метода исследователи подробно изложили в статье, вышедшей пару недель назад в Molecular Cell. В новой статье тот же коллектив описывает применение метода DREEM для изучения теломер.

Теломеры представляют собой ДНК-белковый комплекс,который находится на концах хромосом почти у всех ядерных организмов. Его существование объясняется тем, что обрыв на конце ДНК является «аварийным сигналом» для клетки — он может быть свидетельством опасного двуцепочечного разрыва внутри хромосомы (ферменты «не видят» разницы между концом и телом хромосомы). Чтобы предотвратить ненужную в данном случае «аварийную реакцию», существуют специальные белки, которые прячут концы хромосом внутрь белкового комплекса. ДНК при этом сворачивается в петлю, так называемую Т-петлю.

Ключевым белком теломеры, который обеспечивает существование Т-петли у человека,является TRF2. Он уже хорошо изучен в изолированных системах благодаря рентгеноскопическому методу. Однако, как именно TRF2 формирует структуры Т-петли внутри клеток, до сих пор было не понятно.

Структура Т-петли у человека. Weaver

В новой работе исследователи показали, что TRF2 прячет ДНК внутри «шубы» из связанных друг с другом молекул. При этом, вопреки ожиданиям биологов, не вся нуклеиновая кислота оказывается связанной с TRF2 — часть ее выпетливается и, как установили авторы, привлекает к теломере другие важные ферменты. Например, «вызывает» теломеразу — белок, удлиняющий теломеры.

Необходимость удлинения теломер и существование специального фермента для этого процесса была предсказана Оловниковым теоретически на основании понимания особенностей механизма репликации ДНК. В отличие от РНК-синтезирующих ферментов, ферменты, которые синтезируют ДНК обязательно требуют затравки (праймера) для начала синтеза. Из этого следует, что без изобретения специального механизма поддержания концов обычные ферменты репликации не могут справится с задачей сохранения линейных хромосом.

Автор: Александр Ершов