Мы никогда не сможем понять это правильно. Процесс настолько сложен, что требует оркестровки более сотни узкоспециализированных белков, каждый из которых должен играть свою роль именно в нужный момент и в правильной пространственной ориентации. Его часто сравнивают с изящно поставленным молекулярным танцем.
Даже малейшие ошибки, если их не исправить, могут иметь смертельные последствия. Важно, чтобы геном реплицировался один и только один раз в течение каждого цикла клеточного деления.
В журнале eLife группа биологов во главе с профессором Лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) и исследователем HHMI Лимором Джошуа-Тором и президентом CSHL и профессором Брюсом Стилманом опубликовала фотографии с атомным разрешением многосоставного белкового комплекса, который выполняет самый первый шаг в танце репликации генома. На изображениях человеческой версии этого комплекса, называемого ORC — для комплекса распознавания происхождения, — показан его активный режим.Комплексы ORC самоорганизуются в ядре клетки и связываются в определенных местах, называемых стартовыми сайтами или источниками, вдоль двойной спирали в хромосомах.
В клетках человека ORC собирается буквально в тысячах исходных сайтов по всему геному, образуя начальную конфигурацию, называемую пре-репликационным комплексом или пре-RC. После сборки эти предварительные RC похожи на хорошо подготовленных олимпийских пловцов, стоящих на стартовой площадке и ожидающих сигнала о начале гонки.Подобно быстрым пловцам, каждому комплексу требуется топливо, чтобы задействовать свой «двигатель», открывающий две нити двойной спирали. В случае ORC это АТФ или аденозинтрифосфат.
В активной фазе ORC исследователи показали, что подсборка, содержащая субъединицы 1, 2, 3, 4 и 5 ORC, взаимодействует с несколькими молекулами АТФ и образует частичный кольцеобразный комплекс. АТФ также используется для рекрутирования другого белкового компонента, называемого CDC6, превращая открытое кольцо в закрытое. К этому времени сборка, состоящая из нескольких частей, зацепилась и связалась с двойной спиралью, которая проходит через центр кольца, как болт через центр гайки. Кольцо предназначено для плотного прилегания к ДНК.
ORC был обнаружен в 1991 году в лаборатории Стилмана. «Брюс сделал свое первое открытие ORC в дрожжах, — отмечает Джошуа-Тор, — и мы уже много лет знаем, что есть большое структурное сходство в комплексе ORC у самых разных организмов, от дрожжей до мух и млекопитающих. изображения помогают объяснить то, что, по-видимому, является различиями в форме ORC у плодовых мух и у людей ».Используя инструменты структурной биологии — рентгеновскую кристаллографию и криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ) — команда показала, что различия аналогичны различиям между человеком, изображенным на фотографии, стоящим на месте, и человеком, изображенным на фотографии, бегущим.
Лучшая структура ORC мух была захвачена в неактивной фазе, в то время как недавно опубликованная структура захватывает комплекс в клетках человека в конфигурации, которую он принимает при выполнении своей функции — связывания с ДНК.По словам Джошуа-Тор, ранние изображения ORC были с низким разрешением и «пятнами». Новые изображения показывают, как АТФ связывается в положениях одной из основных частей сборки ORC, состоящей из белковых субъединиц, называемых ORC1, ORC4 и ORC5. Это «моторный модуль» ORC, и его невозможно стабилизировать для получения изображений без АТФ «на борту».
Другая основная сборка состоит из ORC2 и ORC3. ORC достигает своей кольцевой конфигурации, когда задействован белок CDC6, скользящий между субъединицами ORC1 и ORC2.Снимки с высоким разрешением активного человеческого ORC, опубликованные командой, помогают разгадать три главных загадки. «Они помогают нам понять, как ДНК может связываться с ORC; как используется топливо АТФ; и как мутации в белках в комплексе ORC вызывают болезни человека», — говорит Джошуа-Тор.
Одно интересное заболевание, которое, как известно, вызывается мутациями комплекса ORC, называется синдромом Мейера-Горлина, который влечет за собой тяжелую карликовость (низкий рост) и микроцефалию (маленький мозг). Команда создала ORC, в состав которого входят различные белки, содержащие мутации, обнаруженные у пациентов Мейера-Горлина. «Мы обнаружили, что одна из этих мутаций полностью убивает активность АТФ», — сообщает Джошуа-Тор, тем самым нарушая роль ORC в репликации генома.
У детей с этой мутацией есть одна хорошая копия и одна дефектная, что дает половину необходимого ORC, что приводит к их маленькому телу и размеру мозга. Другая мутация сделала моторный модуль ORC 1,4,5 сверхактивным, но добавление к ORC 2,3 делало весь комплекс менее активным, чем обычно.
Эти структурные детали помогают объяснить, почему возникает синдром Мейера-Горлина. Правильное функционирование ORC важно для предотвращения многих других заболеваний, включая рак.Возможно, самые широкие взгляды, которые дают новые человеческие изображения ORC, являются эволюционными. Хотя ORC у примитивных дрожжей и сложных людей работает по-разному — дрожжевой белок стабилен во время деления клеток, в то время как у людей он динамически собирается и разбирается — они «удивительно похожи» в важных отношениях, отмечают исследователи.
Оба очень похожи на другую машину, управляемую АТФ, которая также загружает кольцеобразный белок в ДНК, зажимы-загрузчики ДНК-полимеразы, показывая, что эти молекулярные машины, которые загружают кольцеобразные белки в ДНК, были повторно предназначены для нескольких этапов. репликации ДНК », — пишет команда. Оба они действуют как молекулярные переключатели, которые гидролизуют энергию АТФ, чтобы заблокировать белковые кольца на двухцепочечной ДНК.