Японские ученые Центра исследования динамики биосистем RIKEN раскрыли загадку, связанную с активностью генов в ядре клетки. Они впервые объяснили, как молекула РНК-полимераза, синтезирующая информационную РНК, проходит сквозь ядерные белки, упаковывающие цепь ДНК, не разрушая их. Результаты исследования, опубликованы в журнале Science.
В ядре эукариотической клетки ДНК обернута вокруг белков гистонов, образуя нуклеосомы — основные единицы хроматина (ядерного вещества), напоминающие «бусины на нитке». Нуклеосомы, каждая из которых состоит из восьми гистонов (октамера), позволяют упаковать ДНК в более компактную форму, но при этом являются физическими препятствиями для фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы II, которая отвечает за считывание генетической информации, хранящейся в ДНК. РНК-полимераза II должна проходить сквозь нуклеосомы, сохраняя их структуру, но до сих пор было неизвестно, каким образом это происходит.
Известно, что РНК-полимераза II при прохождении вдоль ДНК связывается со многими вспомогательными белками. Одним из них является специфичный белок, облегчающий транскрипцию хроматина (англ. facilitates chromatin transcription, FACT), который участвует в разборке нуклеосомы перед полимеразой и способствует ее повторной сборке позади полимеразы. Этот процесс также требует присутствия факторов транскрипции Spt6, Spn1, Spt4/5, Elf1, TFIIS и Paf1, которые способствуют непрерывному функционированию РНК-полимеразы.
В новой работе исследователи визуализировали прохождение РНК-полимеразы II через нуклеосому, используя криоэлектронную микроскопию, позволяющей выявить форму молекул с атомарным разрешением. Для этого они сконструировали несколько образцов ДНК с нуклеосомами, при транскрибировании которых полимераза останавливалась в разных точках, где ее передний край находился поблизости от перекрученных участков ДНК. Всего было визуализировано шесть различных структур, образующихся при взаимодействии нуклеосомы, полимеразы, FACT и факторов транскрипции.
Оказалось, что факторы транскрипции покрывают почти всю поверхность РНК-полимеразы, образуя своего рода молекулярную фабрику с туннелем, через который проходит нить ДНК. Когда этот комплекс приближается к нуклеосоме, начинается разворачивание ДНК, а FACT и факторы транскрипции взаимодействуют с гистонами. При приближении комплекса к центру нуклеосомы только треть поверхности октамера оказывается покрыта ДНК, после чего происходит отделение двух частей нуклеосомы — гексамера (шесть гистонов) и димера (два гистона).
На следующем этапе FACT связывается с обеими частями и переносит их на высвобождаемую нить ДНК позади полимеразы. Сначала гексамер, а потом и димер связываются с ДНК, и, по мере продвижения комплекса, перекручивают ее, вызывая повторную сборку нуклеосомы. Важную роль в этом играют факторы Spt4, Spt5, Spt6 и Paf1, который образуют «колыбель» в месте выхода ДНК — структурное углубление, где размещается FACT, связанный с гистонами.
По словам авторов, результаты исследования помогут в изучении механизмов болезней, таких как рак, и помочь разработать новые методы лечения.