Wyobraź sobie tradycyjny telefon stacjonarny ze zwiniętym kablem łączącym słuchawkę z telefonem. Zwinięty kabel telefoniczny i podwójna helisa DNA przechowująca materiał genetyczny w każdej komórce ciała mają jedną wspólną cechę; oba zwijają się lub zwijają wokół siebie i splątują się w sposób, który może być trudny do rozwikłania. W przypadku DNA, jeśli nie zajmiemy się tym nadmiernym nawijaniem, podstawowe procesy, takie jak kopiowanie DNA i podział komórek, ulegną zatrzymaniu. Na szczęście komórki mają genialne rozwiązanie, które pozwala dokładnie regulować superskręcenie DNA.

W tym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Naukanaukowcy z Baylor College of Medicine, Université de Strasbourg, Université Paris Cité i współpracujących instytucji ujawniają, w jaki sposób gyraza DNA rozwiązuje splątania DNA. Odkrycia nie tylko dostarczają nowego wglądu w ten podstawowy mechanizm biologiczny, ale mają także potencjalne zastosowania praktyczne. Gyrazy są celami biomedycznymi w leczeniu infekcji bakteryjnych, a podobne ludzkie wersje enzymów są celem wielu leków przeciwnowotworowych. Lepsze zrozumienie działania gyraz na poziomie molekularnym może potencjalnie ulepszyć metody leczenia klinicznego.

Pewne superskręcenie DNA jest niezbędne, aby DNA było dostępne i umożliwiło komórce odczytywanie i tworzenie kopii informacji genetycznej, ale albo zbyt małe, albo zbyt duże superskręcenie jest szkodliwe. Na przykład czynność kopiowania i odczytywania DNA wyprzedza go przed enzymami odczytującymi i kopiującymi kod genetyczny, przerywając proces. Od dawna wiadomo, że gyraza DNA odgrywa rolę w rozplątywaniu splątania, ale szczegóły nie były jasne.

Minikola DNA i zaawansowane techniki obrazowania ujawniają pierwszy krok do rozplątania DNA

Zwykle wyobrażamy sobie DNA jako prostą strukturę podwójnej helisy, ale wewnątrz komórek DNA występuje w postaci superskręconych pętli. Zrozumienie interakcji molekularnych między superskrętami a enzymami biorącymi udział w funkcjach DNA było wyzwaniem technicznym, dlatego do badania interakcji zazwyczaj używamy liniowych cząsteczek DNA zamiast zwiniętego DNA. Jednym z celów naszego laboratorium było zbadanie tych interakcji przy użyciu struktury DNA, która bardziej naśladuje rzeczywistą formę superskręconego i zapętlonego DNA obecną w żywych komórkach.

Dr Lynn Zechiedrich, autorka badania, Kyle i Josephine Morrow, katedra wirusologii molekularnej i mikrobiologii oraz profesor Wydziału Biochemii i Farmakologii Molekularnej Verna i Marrs McLean w Baylor College of Medicine

Po latach pracy laboratorium Zechiedrich stworzyło małe pętle superskręconego DNA. Zasadniczo wzięli znajomą prostą liniową podwójną helisę DNA i skręcili ją w dowolnym kierunku raz, dwa, trzy razy lub więcej i połączyli końce razem, tworząc pętlę. Ich poprzednie badanie dotyczące trójwymiarowych struktur powstałych superskręconych miniokręgów ujawniło, że pętle te tworzą różnorodne kształty, które, jak przypuszczali, rozpoznawałyby enzymy takie jak gyraza.

W obecnym badaniu ich hipoteza została udowodniona. Zespół naukowców połączył swoją wiedzę, aby zbadać interakcje gyrazy DNA z minikolami DNA, wykorzystując najnowsze osiągnięcia technologiczne w kriomikroskopii elektronowej – technice obrazowania umożliwiającej uzyskanie trójwymiarowych widoków dużych cząsteczek o wysokiej rozdzielczości, a także innych technologiach.

„Moje laboratorium od dawna interesuje się zrozumieniem, jak nanomaszyny molekularne działają w komórce. Badaliśmy gyrazy DNA, bardzo duże enzymy regulujące superskręcenie DNA” – powiedziała współautorka-korespondentka dr Valérie Lamour, profesor nadzwyczajny w Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Université de Strasbourg. „Między innymi funkcjami superskręcenie to sposób, w jaki komórka zamyka około 2 metrów (6,6 stopy) liniowego DNA w mikroskopijnym jądrze komórki”.

Gdy DNA superskręca się wewnątrz jądra, skręca się i fałduje w różnych formach. Wyobraź sobie, że skręcisz kilkakrotnie wspomniany na początku przewód telefoniczny. Przewinie się i utworzy pętlę, krzyżując łańcuchy DNA, zaciskając strukturę.

„Odkryliśmy, tak jak zakładaliśmy, że gyraza jest przyciągana przez superskręcony minikole i umieszcza się wewnątrz tego superskręconej pętli” – powiedział współautor, dr Jonathan Fogg, starszy pracownik naukowy w dziedzinie wirusologii molekularnej i mikrobiologii oraz biochemia i farmakologia molekularna w laboratorium Zechiedrich.

„To pierwszy etap mechanizmu, który pobudza enzym do rozwiązywania splątań DNA” – powiedział Lamour.

„Gyraza DNA, teraz otoczona ciasno superskręconą pętlą, przetnie jedną helisę DNA w pętli, przepuści drugą helisę DNA przez nacięcie w drugiej i ponownie zamknie przerwę, co rozluźnia nawinięcie i ułatwia splątanie, regulując superskręcenie DNA kontrolować aktywność DNA” – powiedział Zechiedrich. „Wyobraźcie sobie oglądanie rodeo. Podobnie jak wiązanie bydła lassem, superskręcony, zapętlony DNA wychwytuje w pierwszej kolejności gyrazę. Następnie gyraza przecina jedną podwójną helisę lassa DNA i przepuszcza drugą helisę przez przerwę, aby się uwolnić”.

Współautor do korespondencji, dr Marc Nadal, profesor École Normale w Paryżu, potwierdził obserwację ścieżki DNA owiniętego w pętlę wokół gyrazy za pomocą pęsety magnetycznej, techniki biofizycznej umożliwiającej pomiar deformacji i wahań długości pojedynczej cząsteczki DNA. Obserwacja pojedynczej cząsteczki dostarcza informacji, które często są niejasne, gdy patrzy się na tysiące cząsteczek w tradycyjnych, tak zwanych eksperymentach „zespołowych” w probówce.

Co ciekawe, „model inwersji nici DNA” dla aktywności gyrazy został zaproponowany w 1979 roku przez dr. Patrick O. Brown i nieżyjący już Nicholas R. Cozzarelli, także w: Nauka artykule, na długo zanim badacze uzyskali dostęp do superskręconych miniokręgów lub trójwymiarowej struktury molekularnej enzymu. „Ma to dla mnie szczególne znaczenie, że 45 lat później w końcu dostarczamy dowody eksperymentalne potwierdzające tę hipotezę, ponieważ Nick był moim mentorem ze stopniem doktora” – powiedział Zechiedrich.

„Ta praca otwiera niezliczone perspektywy w badaniu mechanizmu tej konserwatywnej klasy enzymów, które mają wielką wartość kliniczną” – powiedział Lamour.

„Ta praca wspiera nowe pomysły dotyczące regulacji aktywności DNA. Proponujemy, że DNA nie jest pasywną biocząsteczką, na którą działają enzymy, ale aktywną, która wykorzystuje superskręcenie, pętle i kształty trójwymiarowe, aby zapewnić dostępność enzymów, takich jak gyraza, specyficznych sekwencji DNA w różnych sytuacjach, co prawdopodobnie będzie miało wpływ na odpowiedź komórkową na antybiotyki lub inne metody leczenia” – powiedział Fogg.

Współautorami tej pracy są także Marlène Vayssières (główna autorka), Nils Marechal, Long Yun, Brian Lopez Duran i Naveen Kumar Murugasamy. Autorzy są związani z jedną lub kilkoma z następujących instytucji: Baylor College of Medicine, Université de Strasbourg, Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire, INSERM, Université Paris i Hôpitaux Universitaires de Strasbourg.