Badanie tajemnic maszyn składających DNA
W czasie podziału komórki następuje powielenie i organizacja DNA, co stanowi potężne przedsięwzięcie, zwłaszcza biorąc pod uwagę długość i złożoność materiału genetycznego. DNA przypomina długą nić, która musi zostać ciasno i niezwykle precyzyjnie upakowana w niewielkiej przestrzeni bez jej splątania.
Składanie i porządkowanie DNA
Zespół projektu CHROCODYLE(odnośnik otworzy się w nowym oknie), realizowanego dzięki wsparciu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), miał na celu dokładne zbadanie tego procesu. W tym celu koordynator projektu Stephan Gruber i jego zespół z Uniwersytetu w Lozannie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Szwajcarii skupili się na kompleksach strukturalnego utrzymania chromosomów (SMC), czyli maszynach białkowych, które aktywnie składają i porządkują DNA. Białka te są niezbędne do utrzymania materiału genetycznego w stanie nienaruszonym, co ma kluczowe znaczenie dla przetrwania i funkcjonowania komórek. Kluczową rolę odgrywa w tym procesie kondensyna, jeden z kompleksów SMC, które kształtują DNA w pętle. Pętle te mają kluczowe znaczenie dla procesu naprawy DNA i zapewnienia prawidłowej dystrybucji chromosomów podczas podziału komórki. Mechanika ruchu kompleksów SMC wzdłuż nici DNA i tworzenia pętli pozostawała jednak dotychczas niezbadana. To właśnie było celem projektu CHROCODYLE.
Kompleksowa inżynieria genetyczna
Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół zajął się badaniami opartymi na prostym organizmie modelowym - bakterii Bacillus subtilis, która zawiera wersję kompleksu kondensyny, która jest łatwiejsza do zbadania niż jej ludzki odpowiednik. Pozwoliło to badaczom na przeprowadzenie badań genetycznych opartych na inżynierii genetycznej, która pozwoliła na uzyskanie przeszło 1 000 zmutowanych szczepów bakteryjnych z określonymi zmianami w białkach SMC. Nowe mutacje zostały następnie zestawione z techniką nazywaną sieciowaniem chemicznym w celu analizy struktury molekularnej kompleksu SMC z wysoką precyzją. „Byliśmy w stanie uzyskać bardzo szczegółowy obraz bakteryjnej maszyny SMC i rozmieszczenia jej poszczególnych części”, mówi Gruber. Jednocześnie naukowcy badali, w jaki sposób kompleksy SMC oddziałują z DNA zarówno in vitro, jak i w żywych komórkach bakterii. Wykorzystali w tym celu zaawansowane narzędzia, takie jak krystalografia, mikroskopia, ChIP-Seq i Hi-C, aby obserwować, gdzie i jak SMC wiążą się z DNA i oddziałują na chromosomy. Tego rodzaju połączenie badań strukturalnych i funkcjonalnych dało im pełny obraz działania maszyny SMC. Jednym z najważniejszych rezultatów tych badań było opracowanie nowego modelu wytłaczania pętli DNA, czyli sposobu, w jaki SMC poruszają się wzdłuż DNA. „Silnik SMC porusza się wykonując duże kroki, zatem może z łatwością omijać zarówno małe, jak i duże przeszkody na nitce DNA”, wyjaśnia Gruber. „Nie przypomina to mechanizmów dotyczących innych silników DNA”.
Od bakterii do prawdziwego przełomu
Wpływ rezultatów projektu CHROCODYLE wykracza poza biologię bakterii. U ludzi nieprawidłowe funkcjonowanie białek SMC wiąże się z zaburzeniami wrodzonymi i częstymi mutacjami do nowotworów. Wiedza uzyskana dzięki temu projektowi może pomóc nam zrozumieć błędy molekularne, które powodują te choroby, co może przełożyć się na pomysły na nowe leki. „Nasze wysiłki pomogą ujawnić defekty molekularne powodujące te choroby i przełożą się na możliwość opracowania leków”, dodaje Gruber. Poznanie sposobu działania maszyny SMC w bakteriach może potencjalnie przyczynić się do opracowania nowych leków zwalczających zakażenia bakteryjne. Wnioski z badań stanowią istotny wkład w opracowanie nowych metod zwalczania antybiotykooporności, która stanowi jedno z najpoważniejszych wyzwań zdrowotnych na świecie. Co więcej, zespół projektu położył również podwaliny pod przyszłe przełomowe rozwiązania. Dzięki nowym technikom, takim jak mikroskopia krioelektronowa, naukowcy badają struktury SMC-DNA z rozdzielczością zbliżoną do atomowej, potwierdzając i rozwijając odkrycia dokonane w ramach projektu CHROCODYLE. Rozwój technologii stanowi znaczący krok naprzód w badaniu podstawowych mechanizmów molekularnych życia.
