Ученые раскрыли механизм работы «прыгающего гена» в ДНК человека

Структура функционального LINE-1 ORF2p комплекса ретротранспозиции. Автор: группа Сюй Жуймина

Длинные диспергированные ядерные элементы-1 (LINE-1 или L1) — единственный активный самокопирующийся генетический элемент в геноме человека, составляющий около 17% генома. Его часто называют «прыгающим геном» или «ретротранспозоном», поскольку он может «ретротранспонировать» (перемещаться) из одного участка генома в другой.

Исследователи из Института биофизики Китайской академии наук раскрыли молекулярные механизмы, лежащие в основе ретротранспозиции L1 и его интеграции в геномную ДНК. Их исследование было опубликовано в журнале Science 9 октября.

L1 является единственным автономно активным ретротранспозоном в геноме человека и служит основным средством мобилизации большинства других ретротранспозонов. Его процесс ретротранспозиции опосредуется обратной транскриптазой ORF2p через механизм, известный как обратная транскрипция с праймированием по мишени (TPRT). До сих пор оставалось неясным, каким образом ORF2p распознает ДНК-мишени и опосредует интеграцию.

Под руководством профессоров Сюй Жуймина, Чжу Бина и Сюэ Юаньчао исследователи очистили активный комплекс ORF2p-эндогенных нуклеиновых кислот и определили его высокоразрешающую трёхмерную структуру с помощью крио-электронной микроскопии отдельных частиц (cryo-EM). Структурный анализ показал, что ORF2p связывается с геномной ДНК посредством сильных поверхностных электростатических взаимодействий. Также было показано, что синтез кДНК (комплементарной ДНК) происходит в активном центре обратной транскриптазы (RT) посредством аллостерической модуляции нескольких аминокислотных остатков.

Молекулярный механизм нацеливания на ДНК и её разрезания обратной транскриптазой LINE-1. (A) LINE-1 специфически распознаёт вилкообразные структуры ДНК, образующиеся во время репликации, и осуществляет разрезание двуцепочечной ДНК за счёт конформационных изменений в EN-домене. (B) Структурное сравнение обратных транскриптаз от низших к высшим организмам. Автор: группа Сюй Жуймина

Важно, что исследователи создали первую эффективную систему расщепления ДНК in vitro для ORF2p, продемонстрировав, что он функционирует как структуро-зависимая эндонуклеаза. Они обнаружили, что ORF2p проявляет высокую каталитическую активность в отношении специфических вилкообразных субстратов ДНК, в частности структур типа «flap», характерных для отстающей цепи во время репликации ДНК.

Конформационные изменения в эндонуклеазном (EN) домене позволяют осуществлять ступенчатое расщепление двуцепочечной ДНК. Это открытие даёт молекулярную основу для связи между интеграцией L1 и клеточным циклом репликации.

Межвидовые структурные сравнения с гомологичными белками бактерий и насекомых выявили как консервативные, так и дивергентные черты в эволюции ретротранспозаз: в то время как активность обратной транскрипции высоко консервативна, механизмы распознавания и расщепления ДНК претерпели значительную диверсификацию.

Это исследование проясняет режим связывания нуклеиновых кислот ORF2p и опосредованный структурой ДНК механизм, управляющий его сайт-специфичным расщеплением во время ретротранспозиции L1. ORF2p взаимодействует в основном с остовом ДНК посредством электростатических сил, а не за счёт последовательностно-специфичного распознавания, что подчёркивает его уникальную физиологическую роль.

Эта работа фундаментально углубляет наше понимание механизма ретротранспозиции L1 и предоставляет новую теоретическую основу для разработки терапевтических средств, нацеленных на регуляцию ретротранспозонов.

Больше информации: Вэньсин Цзинь и др., Mechanism of DNA targeting by human LINE-1, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu3433

Источник: Chinese Academy of Sciences