Біологи склали карту топологічної напруги геному бактерій

Індійсько-американська група біологів склала першу карту суперскручування ДНК у клітинах бактерій. На ній відображається топологічне напруження, яке відчуває нуклеїнова кислота в різних частинах геному. Дослідження опубліковано в журналі.

«Канонічна» двозначна ДНК Вотсона і Крика являє собою дві закручені один про одного спіралі, в яких число витків на 10 підстав завжди однакове. Таку форму молекули біологи називають релаксированной, тобто в ній немає топологічної напруги. У реальному житті така ДНК зустрічається рідко, зазвичай у клітинах два ланцюжки ДНК або трохи недокручені, або перекручені - такі молекули називають негативно або позитивно суперскрученими. Зберігати топологічну напругу молекулі вдається за рахунок того, що її кінці або з'єднані разом (кільцеві плазміди або хромосоми бактерій), або настільки далекі один від одного, що просто не можуть провернутися і релаксирувати.

Цікаво, що суперскрученість у живих організмах не є простою неточністю в роботі ферментів. Зазвичай вона має особливу роль: існують спеціальні білки, які, наприклад, не дають топологічній напрузі накопичуватися вище деякої межі і виступають в ролі «карабіна», навколо яких ДНК може вільно прокручуватися. Існують і фермент, який спеціально вносять в ДНК негативну суперскрученість витрачаючи на це енергію - бактеріальна гіраза. Необхідність у такому ферменті диктується тим, що від статусу суперскрученості залежить легкість пов'язування білків з ДНК: чим скрученість нижча, ніж ДНК більш недокручена, тим легше вона плавиться, оголюючи підстави, з якими «хоче» зв'язатися білок.

Проте досі повного глобального атласу суперскрученості в бактеріальній ДНК не існувало. Автори нової статті зібрали такий атлас за допомогою нового методу, що поєднав хімічні зшивки з подальшим секвенуванням фрагментів.

Процедура виглядає наступним чином. До клітин додають особливу речовину-інтеркалятор, яка вбудовується в ДНК між підстав. Ключовою його особливістю є «любов» до негативно суперскрученої ДНК - у такі фрагменти речовина вбудовується набагато легше, ніж у релаксовану або позитивно суперскручену нуклеїнову кислоту. Після обробки ультрафіолетом між інтеркалятором і ДНК відбувається тимчасова хімічна зшивка. Якщо потім відсеквенувати зразки, які були або не були оброблені ультрафіолетом, то різниця в кількості (представленості) різних фрагментів вкаже на велику кількість інтеркалятора, а, значить, і на статус суперскрученості в цьому місці геному.

Результатом роботи стала повна карта топологічної напруги в геномі кишкової палички. Вона має досить складну форму, але загальним трендом є падіння суперскрученості від місця, де починається синтез ДНК (ориджина) до протилежного кінця кільцевої молекули. Виявилося, що розподіл суперскрученості практично збігається з розподілом на ДНК білка HU, який виконує у бактерій роль «архіватора» геному і в деякому роді аналогічний нуклеосомам.

Крім того, автори виявили, що статус суперскрученості сильно залежить від темпу життя бактерій: нерівномірність сильно виражена в стаціонарній фазі, але чим швидше клітини діляться, тим більш рівномірно розподілено топологічну напругу в їх геномі.

Крім фундаментального значення, дослідження суперскрученості бактеріальної ДНК має і практичне застосування: бактеріальна гіраза є дуже важливою мішенню для антибіотиків.