Nowe badania pokazują, że białka SMC zapętlają się i skręcają DNA konsekwentnie zarówno u ludzi, jak i u drożdży, wpływając na strukturę i funkcję DNA, co ma kluczowe znaczenie w leczeniu chorób genetycznych.
Naukowcy z Instytutu Kavli na Politechnice w Delft i IMP Vienna BioCenter odkryli nową właściwość silników molekularnych organizujących nasze chromosomy. Sześć lat temu odkryli, że białka motoryczne SMC tworzą długie pętle w DNA. Teraz odkryli, że białka te wprowadzają również znaczące skręcenia w pętlach, które tworzą.
Odkrycie to pogłębia naszą wiedzę na temat struktury i funkcji chromosomów, rzucając światło na sposób zarządzania DNA w komórkach. Oferuje także cenny wgląd w to, jak zakłócenia w skręcaniu i zapętlaniu DNA mogą przyczyniać się do problemów zdrowotnych, w tym zaburzeń rozwojowych, takich jak kohezynopatia. Naukowcy opublikowali swoje odkrycia w czasopiśmie Postęp nauki.
Zagęszczenie DNA i funkcja komórkowa
Wyobraź sobie, że próbujesz zmieścić dwa metry liny w przestrzeni mniejszej niż czubek igły. To zadanie, przed którym staje każda komórka w organizmie, pakując swoje DNA do mikroskopijnego jądra. Aby to osiągnąć, natura opracowała niezwykłe strategie. DNA jest skręcone w ciasne zwoje, tworząc struktury zwane super zwojami (wizualizacja na zdjęciach) i owinięte wokół wyspecjalizowanych białek w celu wydajnego przechowywania.
Pętle DNA i dynamika chromosomów
Jednak upakowanie DNA nie wystarczy — komórki muszą również uzyskać dostęp do tego ciasno upakowanego materiału genetycznego i zarządzać nim. Kiedy potrzebna jest informacja genetyczna, określone fragmenty DNA są tymczasowo rozpakowywane i odczytywane. Podczas podziału komórki DNA musi się całkowicie rozwinąć, zduplikować i rozdzielić na dwie nowe komórki.
Proces ten jest kontrolowany przez wyspecjalizowane maszyny białkowe zwane kompleksami SMC (Structural Maintenance of Chromosomy). Te silniki molekularne tworzą długie pętle w DNA, które odgrywają kluczową rolę w regulacji struktury i funkcji chromosomów. Naukowcy z Delft i innych instytucji odkryli niedawno, że te pętle DNA odgrywają kluczową rolę w organizacji i działaniu chromosomów, co stanowi zasadniczy przełom w zrozumieniu biologii komórki.
Innowacje w badaniach DNA
W laboratorium Ceesa Dekkera na TU Delft postdoktoranci Richard Janissen i Roman Bath dostarczają wskazówek, które pomagają rozwiązać tę zagadkę. Opracowali nowy sposób wykorzystania „pęsety magnetycznej”, za pomocą którego mogli obserwować, jak poszczególne białka SMC wykonują pętle w DNA. Co ważne, udało im się również ustalić, czy białko SMC zmieni skręt DNA. Co zaskakujące, zespół odkrył, że tak się stało: kohezyna ludzkiego białka SMC rzeczywiście nie tylko wciąga DNA w pętlę, ale także skręca go lewoskrętnie o 0,6 obrotu na każdym etapie tworzenia pętli.
Ewolucyjna konsystencja białek SMC
Co więcej, zespół odkrył, że to skręcanie nie jest charakterystyczne tylko dla ludzi. Podobne białka SMC w drożdżach zachowują się w ten sam sposób. Co zaskakujące, wszystkie różne typy białek SMC pochodzących od ludzi i drożdży dodają tę samą ilość skrętu – obracają DNA 0,6 razy na każdym etapie wytłaczania pętli DNA. To pokazuje, że mechanizmy wytłaczania i skręcania DNA pozostawały takie same przez bardzo długi czas ewolucji. Nieważne, czy DNA jest zapętlone w człowieku, drożdżach czy jakiejkolwiek innej komórce – natura stosuje tę samą strategię.
Implikacje dla badań genetycznych i zdrowia
Te nowe odkrycia dostarczą istotnych wskazówek umożliwiających poznanie mechanizmu molekularnego tego nowego typu silnika. Ponadto wyjaśniają, że pętla DNA wpływa również na stan superskręcenia naszych chromosomów, co bezpośrednio wpływa na takie procesy, jak ekspresja genów. Wreszcie, te białka SMC są powiązane z różnymi chorobami, takimi jak zespół Cornelii de Lange, a lepsze zrozumienie tych procesów jest niezbędne do wyśledzenia molekularnego pochodzenia tych poważnych chorób.
Odniesienie: „Wszystkie eukariotyczne białka SMC indukują skręt o -0,6 na każdym etapie wytłaczania pętli DNA” R. Janissen, R. Barth, IF Davidson, J.-M. Peters i C. Dekker, 13 grudnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adt1832
