Механизм взаимодействия простых неорганических полимеров (полифосфатов) с ДНК может пролить свет на формирование «архитектуры» генома, однако ученые до сих пор не могли его объяснить. Теперь, проведя ряд новаторских экспериментов, исследователи обнаружили, что при определенной концентрации ионов магния ДНК и полифосфаты образуют новые тонкие структуры. Открытие столь своеобразной «зоны Златовласки» может привести к разработке новых инструментов клеточного контроля.
Структуры, формируемые при взаимодействии полифосфатов и ДНК. Изображение получено с помощью метода электронной криотомографии / © Nature Communications (2024)
Полифосфаты — это цепочки фосфатных соединений, встречающиеся во всех живых организмах, от бактерий и грибов до растений и человека. Эти древние молекулярные «универсалы» участвуют в регуляции множества клеточных процессов, включая свертывание крови у человека и реакцию на стресс у бактерий. Чаще всего их находят рядом с хроматином (составляет основу хромосом), однако связь этих простых по строению неорганических полимеров с ДНК долго оставалась загадкой.
В бактериальных клетках полифосфаты могут формировать особые конденсаты (безмембранные капли) в области нуклеоида, то есть там, где хранится генетический материал. Такие клетки обычно обогащены ионами магния. Именно они, как выяснили авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, играют ключевую роль в соединении полифосфатов и ДНК при образовании новых структур.
Команда ученых под руководством Лизы Рэки (Lisa Racki) и Ашока Дениза (Ashok Deniz) наблюдала этот эффект, применив методы флуоресцентной микроскопии (молекулы полифосфатов и ДНК отмечали красителями) и электронной криотомографии (чтобы детально рассмотреть структуру). Подход позволил зафиксировать, как именно нити ДНК прилегают к поверхности полифосфатных конденсатов.
Результаты показали, что в присутствии ионов магния длинные цепочки полифосфатов самопроизвольно собирались в капли, однако оболочка формировалась только при определенных концентрациях: при слишком низком или высоком содержании ионов магния процесс прерывался. Значит, изменить «поведение» ДНК и размер полифосфатных конденсатов могли даже небольшие концентрации ионов магния. Длинные цепочки ДНК при этом уменьшали размер капель, предотвращая их слияние.
Открытие позволяет по-новому взглянуть на роль полифосфатов в компоновке ДНК, поскольку от их присутствия может меняться форма и функция хроматина. Ученые отметили, что описанный ими механизм, вероятно, широко распространен и не ограничивается бактериальными клетками: магний и ДНК встречаются повсеместно. Впрочем, как и полифосфаты.
Так как полифосфатные конденсаты — подходящий вариант наноконтейнеров для упаковки лекарственных веществ, результаты научной работы найдут применение в биоинженерии, а понимание того, что оболочка из ДНК влияет на их форму и поведение, позволит лучше управлять структурой подобных комплексов.
Чтобы выяснить, применим ли этот универсальный механизм к ряду других молекулярных взаимодействий в клетках, ученые намерены провести дальнейшие эксперименты, в которых к ДНК и полифосфатам добавят разные белки и другие компоненты. Поскольку такие простые полимеры, как полифосфаты, в присутствии магния и ДНК образуют структуры, влияющие на конфигурацию генетического материала и клеточные функции, результаты будущих исследований, вероятно, будут впечатляющими.
