Учёные впервые засняли, как две цепи ДНК соединяются вместе

Молекулы ДНК несут отрицательный электрический заряд. Поскольку объекты с одинаковым зарядом обычно отталкиваются друг от друга, можно было бы ожидать, что молекулы ДНК будут взаимно отталкиваться. Однако внутри живых клеток ДНК иногда должна вступать в тесный контакт и распознавать совпадающие последовательности. Эти взаимодействия необходимы для таких процессов, как генетическая рекомбинация и сайленсинг генов, а также могут играть роль в развитии рака.

Учёные впервые получили детальное изображение того, как это происходит. Используя мощную атомно-силовую микроскопию, исследователи наблюдали, как короткие фрагменты ДНК выстраиваются с необычайной точностью, совпадая друг с другом бороздка к бороздке. Компьютерное моделирование затем показало, что, по-видимому, делает этот тесный контакт возможным: положительно заряженные ионы металлов могут встраиваться в бороздки ДНК и служить крошечными молекулярными мостиками между двумя молекулами.

Крошечные ионы помогают ДНК преодолеть отталкивание

Профессор Агнес Ной из Школы физики, инженерии и технологий Университета Йорка руководила исследованием совместно с коллегами. Она сказала: «Это открытие может помочь исследователям выявить участки генома, которые особенно вовлечены в спаривание ДНК. Эти области могут приобретать особое значение, когда мутации нарушают нормальные клеточные процессы и способствуют развитию рака».

Результаты предоставляют экспериментальное подтверждение идеи, предложенной около двадцати лет назад и получившей название модели «ДНК-застёжки-молнии». Профессор Алексей Корнышев из Имперского колледжа Лондона и его коллеги первоначально предположили, что солевые ионы вокруг ДНК могут создавать чередующиеся картины электрического заряда. Согласно модели, эти картины помогают соседним молекулам ДНК выравниваться друг относительно друга, подобно двум входящим в зацепление винтовым лестницам.

До сих пор прямое наблюдение этого предполагаемого механизма было затруднено.

Учёные проверили «ДНК-застёжку-молнию» на практике

Чтобы исследовать процесс, учёные сканировали образцы ДНК с помощью атомно-силовой микроскопии — метода, позволяющего картировать поверхности в чрезвычайно малых масштабах. Эти сканирования позволили команде построить детальные топографические карты, показывающие, как расположены молекулы ДНК.

Одновременно сложное компьютерное моделирование отслеживало отдельные атомы и ионы при их движении вокруг ДНК. Сочетание двух подходов дало исследователям как прямое представление о спаривании ДНК, так и способ понять молекулярные силы, ответственные за него.

Моделирование показало, что двухзарядные ионы металлов могут эффективно вести себя как две заряженные «руки». Каждый ион может взаимодействовать сразу с обеими молекулами ДНК, образуя мостик через разделяющее их пространство и помогая удерживать две цепи в выровненном положении.

Доктор Томас Кэтли, соавтор исследования из Школы химической, материаловедческой и биологической инженерии Университета Шеффилда, сказал: «Было невероятно впервые напрямую визуализировать механизм, который так долго оставался гипотетическим. Передовые методы визуализации, имеющиеся в нашем распоряжении, позволяют нам раскрывать эти ключевые взаимодействия ДНК, имеющие значение для многих важных клеточных процессов».

Доктор Виктор Веласко-Берреллеса из Университета Шеффилда, выполнивший моделирование, добавил: «Микроскопия показывает нам, что происходит, но моделирование позволяет раскрыть молекулярный механизм, лежащий в основе этого».

Некоторые последовательности ДНК спариваются сильнее

Исследователи также обнаружили, что ДНК спаривается не одинаково хорошо вдоль каждой последовательности. Некоторые участки ДНК создавали гораздо более прочные контакты, чем другие, образуя отчётливые «горячие точки», где две спирали особенно охотно выстраивались друг относительно друга.

Это открытие может помочь исследователям точно определить участки генома, особенно вовлечённые в распознавание и спаривание ДНК. Такие области могут приобретать особое значение, когда мутации нарушают нормальную клеточную активность и способствуют развитию рака.

Открытие может найти применение и за пределами медицины. Поскольку некоторые последовательности ДНК можно запрограммировать на более сильное взаимодействие, чем другие, учёные в конечном итоге могут использовать эти свойства для создания индивидуальных структур ДНК для биотехнологии.

Исследование «Imaging and mechanism of DNA-DNA recognition mediated by divalent ions» было опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Йорка.

Thomas E Catley, Victor Velasco-Berrelleza, Daniel E Rollins, Alice L B Pyne, Agnes Noy. Imaging and mechanism of DNA–DNA recognition mediated by divalent ions. Nucleic Acids Research, 2026; 54 (16) DOI: 10.1093/nar/gkag817