Молекула ДНК несет отрицательный электрический заряд. По законам физики объекты с одинаковым зарядом отталкиваются. Это создает фундаментальную проблему: как двум молекулам ДНК вступить в тесный контакт, если они должны избегать друг друга?
А такой контакт необходим. Без него невозможны генетическая рекомбинация, подавление активности генов (сайленсинг) и многие другие клеточные процессы. Нарушения в этих механизмах могут способствовать развитию рака. Долгое время оставалось неясным, каким образом ДНК удается преодолеть электростатическое отталкивание.
Разгадка: ионы металлов как перекидные мостики
Международная группа исследователей получила детальную картину этого процесса. С помощью атомно-силовой микроскопии ученые наблюдали, как короткие участки ДНК выравниваются друг относительно друга с поразительной точностью, сопоставляя канавки на своих поверхностях. Компьютерные симуляции показали, что делает такой контакт возможным.
Оказалось, что положительно заряженные ионы металлов, в частности двухзарядные (с зарядом 2+), накапливаются в бороздках ДНК. Каждый такой ион способен одновременно взаимодействовать с двумя разными молекулами. Он работает как крошечный мостик, удерживая две спирали рядом и нейтрализуя их взаимное отталкивание.
Модель «ДНК-молния» получила подтверждение
Результаты подтверждают гипотезу, предложенную около двадцати лет назад профессором Алексеем Корнышевым из Имперского колледжа Лондона и его коллегами. Они предположили, что ионы солей вокруг ДНК создают чередующиеся узоры электрического заряда. Согласно модели, эти узоры помогают соседним молекулам выстраиваться друг с другом, подобно двум переплетенным винтовым лестницам. Гипотеза получила название «ДНК-молния». До сих пор напрямую наблюдать этот механизм не удавалось.
Как проходило исследование
Ученые применили два взаимодополняющих подхода. Атомно-силовая микроскопия позволила составить подробные топографические карты, показывающие расположение молекул ДНК на нанометровом уровне. Параллельно сложные компьютерные симуляции отслеживали перемещение отдельных атомов и ионов. Объединение этих методов дало исследователям как прямое изображение пары ДНК, так и понимание молекулярных сил, которые ее удерживают.
Симуляции показали, что двухзарядные ионы металлов действуют как две заряженные руки. Каждый ион взаимодействует с обеими молекулами одновременно, формируя мост и помогая удерживать цепи в одном положении.
Некоторые последовательности соединяются прочнее
Исследователи обнаружили, что ДНК взаимодействует неодинаково на разных участках. Некоторые последовательности создавали значительно более прочные контакты, образуя четкие горячие точки, где две спирали особенно вероятно совпадали. Это открытие может помочь определить области генома, которые активно участвуют в распознавании и паре ДНК. Такие участки становятся особенно значимыми, когда мутации нарушают нормальные клеточные процессы и способствуют развитию рака.
Мнение исследователей
Профессор Агнес Ной из Йоркского университета, совместно руководившая работой, отметила, что открытие поможет выявлять участки генома, связанные с парой ДНК. Эти области могут стать особенно важными, когда мутации нарушают нормальные клеточные процессы и способствуют развитию рака.
Доктор Томас Кэтли из Шеффилдского университета, ведущий автор исследования, подчеркнул, что впервые удалось напрямую визуализировать давно предполагаемый механизм. Современные методы визуализации позволяют выявлять ключевые взаимодействия ДНК, имеющие значение для многих клеточных процессов. Доктор Виктор Веласко-Берреллеза, проводивший симуляции, добавил, что микроскопия показывает, что происходит, а симуляции раскрывают молекулярный механизм этого.
Значение для медицины и биотехнологий
Помимо фундаментального интереса, открытие имеет практический потенциал. Поскольку некоторые последовательности ДНК запрограммированы на более сильное взаимодействие, ученые смогут использовать эти свойства для создания индивидуальных структур ДНК для биотехнологических приложений.
Исследование опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.
Изображение: сливающиеся вместе ДНК-нити. Автор: профессор Агнес Ной, Йоркский университет
