Британские учёные впервые получили изображения, показывающие, как две двойные спирали ДНК способны соединяться друг с другом подобно застёжке-молнии. Открытие подтвердило гипотезу, выдвинутую более 20 лет назад, и помогло объяснить, каким образом молекулы с одинаковым электрическим зарядом могут удерживаться настолько близко друг к другу.
Исследователи из Шеффилдского и Йоркского университетов обнаружили, что соседние молекулы ДНК способны располагаться особым образом: их спиральные бороздки выстраиваются друг напротив друга, словно зубцы застёжки. Удерживать такую конструкцию помогают положительно заряженные ионы, создающие своеобразные мостики между молекулами.
Это открытие может приблизить учёных к пониманию того, как огромные объёмы генетического материала помещаются внутри клеточного ядра и каким образом участки ДНК находят друг друга перед обменом генетической информацией.
Проблема заключается в особенностях самой ДНК. Её молекулы обладают отрицательным электрическим зарядом, поэтому должны отталкиваться друг от друга. Тем не менее внутри клеток генетический материал упакован чрезвычайно плотно, а отдельные молекулы способны вступать в тесный контакт.
Чтобы выяснить, как это происходит, исследователи изучили взаимодействие двух двойных спиралей ДНК. Каждая из них уже состояла из двух нитей, закрученных вокруг общей оси. Учёных интересовало не соединение отдельных нитей в привычную двойную спираль, а взаимодействие двух уже сформированных молекул.
Для наблюдений использовали атомно-силовую микроскопию высокого разрешения. Этот метод позволил исследовать поверхность молекул в жидкой среде и различить даже мельчайшие особенности их структуры.
Полученные изображения оказались настолько подробными, что на них удалось увидеть большие и малые бороздки, которые спирально проходят вдоль молекулы ДНК. Именно расположение этих бороздок стало главным доказательством необычного механизма соединения.
В некоторых случаях две двойные спирали располагались настолько близко, что их бороздки совпадали по положению. Такая структура напоминала застёжку-молнию, в которой зубцы соседних сторон последовательно сцепляются друг с другом.
«Предположение о том, что две двойные спирали ДНК могут соединяться подобным образом, было выдвинуто более 20 лет назад. Эти изображения стали первым визуальным подтверждением того, что такая модель действительно существует», — рассказала биофизик Йоркского университета Агнес Ной.
Однако получить подробные изображения оказалось недостаточно. Учёным также требовалось понять, что заставляет отрицательно заряженные молекулы удерживаться вместе, несмотря на электрическое отталкивание.
Ключевую роль, как выяснилось, могут играть положительно заряженные ионы металлов.
Для получения изображений с максимальным разрешением исследователи использовали ионы никеля. Они помогли наблюдать расположение отдельных бороздок на поверхности ДНК. В дополнительных экспериментах также изучалось взаимодействие молекул в присутствии магния и кальция.
Затем учёные применили компьютерное моделирование, позволившее проследить движения молекул и их взаимодействия на уровне отдельных атомов.
Это было особенно важно, поскольку микроскопические снимки фиксировали неподвижные структуры. Они показывали уже сформировавшееся расположение молекул, но не позволяли непосредственно наблюдать, как те постепенно соединяются.
«Изображения были получены в статическом состоянии. Именно это позволило добиться разрешения, при котором можно увидеть и измерить отдельные большие и малые бороздки каждой молекулы», — объяснила биофизик Шеффилдского университета Элис Пайн.
Компьютерные модели показали, что ионы, несущие два положительных заряда, способны одновременно взаимодействовать с соседними спиралями ДНК. Благодаря этому между молекулами возникают своеобразные солевые мостики, удерживающие их вместе.
Особенно прочные контакты образовывались тогда, когда малые бороздки соседних спиралей располагались друг напротив друга. В такой конфигурации ионы могли связывать сразу обе молекулы через промежуток между ними.
Но исследование выявило ещё одну важную закономерность: способность ДНК соединяться подобным образом зависит не только от присутствия ионов, но и от последовательности её нуклеотидов.
Оказалось, что некоторые участки генетической последовательности особенно благоприятны для образования межмолекулярных мостиков.
«Моделирование показало, что существуют особые последовательности, которые преимущественно образуют такие мостики, закрепляя две молекулы вместе. После этого молекулы получают возможность соединяться подобно застёжке-молнии», — рассказала Элис Пайн.
В присутствии никеля особенно устойчивые контакты были связаны с короткой последовательностью ДНК GTAC. Моделирование также показало, что магний и кальций способны стабилизировать подобное соединение, хотя образуемые ими сети мостиков отличались от тех, которые возникали при участии никеля.
Таким образом, определённые последовательности ДНК могут влиять на то, где именно возникнет контакт между двумя спиралями и насколько прочным он окажется.
По словам Агнес Ной, это означает, что в геноме могут существовать своеобразные участки повышенной склонности к соединению, где молекулам особенно легко сближаться и закрепляться друг возле друга.
Подобный механизм представляет интерес для изучения генетической рекомбинации — процесса, при котором происходит обмен генетическим материалом. Для такого обмена соответствующие друг другу участки ДНК должны сначала найти друг друга и установить контакт.
Новые результаты предлагают возможное молекулярное объяснение одного из этапов такого распознавания. Однако учёные подчёркивают, что пока не доказали работу всего механизма внутри живых клеток.
Более того, микроскопия выявила несколько различных вариантов взаимного расположения молекул. Большинство из них не соответствовало конфигурации, при которой совпадающие генетические последовательности могли бы выстраиваться друг напротив друга на всём протяжении контакта.
Поэтому исследователи предполагают, что первоначальное сближение и последующее продолжительное соединение ДНК могут происходить в несколько этапов.
Сначала положительно заряженные ионы помогают создать локальные контакты между соседними молекулами. Затем совпадение генетических последовательностей может способствовать сохранению правильного расположения спиралей и дальнейшему распространению соединения вдоль них.
Иными словами, сам по себе контакт двух молекул ДНК ещё не означает, что они нашли генетически подходящего партнёра. Для формирования продолжительного и устойчивого соединения могут потребоваться дополнительные условия.
При этом авторы работы призывают осторожно интерпретировать результаты. Все эксперименты проводились с очищенной ДНК в контролируемой лабораторной среде. Внутри живой клетки ситуация значительно сложнее.
В клетках упаковку генетического материала обеспечивают также белки и другие молекулы. Например, ДНК оборачивается вокруг белков-гистонов, образуя структуры, называемые нуклеосомами.
«Эти эксперименты показывают нам, как отдельные молекулы ведут себя в лабораторных условиях», — подчеркнула Элис Пайн.
Тем не менее открытый механизм может помочь объяснить дополнительные способы плотной упаковки генетического материала, которые не сводятся только к оборачиванию ДНК вокруг белков.
Исследователи также допускают, что дальнейшее изучение обнаруженных взаимодействий может оказаться полезным для понимания некоторых процессов, связанных с онкологическими заболеваниями. Однако возможная связь с раком пока не установлена и требует отдельных исследований.
Следующая задача учёных — определить, какие именно генетические последовательности создают наиболее благоприятные условия для соединения молекул, и выяснить, где такие участки расположены в геноме.
Пока исследователям удалось сделать важный шаг: перейти от теоретической модели, существовавшей более двух десятилетий, к непосредственным изображениям особого расположения двух спиралей ДНК. А компьютерное моделирование помогло объяснить, какие физические взаимодействия могут удерживать их вместе.
Теперь предстоит выяснить, насколько активно этот механизм используется внутри живых клеток и какую роль он играет в организации и взаимодействии генетического материала.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nucleic Acids Research.
