Рентген сфотографировал гены

Впервые получена трехмерная «фотография» генетического процесса в клетке. С помощью рентгеновской кристаллографии ученые «увидели» взаимодействие белка и нуклеосомы – одну из ключевых стадий процесса запуска работы генов, нарушение которого ведет к различным болезням, в том числе к раку.

Со времен первого рентгеновского снимка трехмерные «фотографии» получили значительное развитие. Рентгеноструктурный анализ является основным методом определения структуры вещества в кристаллическом состоянии, синхротронное излучение позволяет определять структуры сложных биологических молекул, причем не только «одиночных», но и в составе сложных комплексов, так, как они существуют внутри человеческих клеток.

Специалистам по белковой кристаллографии удалось знаковое в истории дисциплины исследование:

впервые получены трехмерные «фотографии» важных генетических процессов, происходящих в каждой клетке нашего тела.

Исследование публикует Nature.

Профессор Сонг Тан и его коллеги из Государственного университета Пенсильвании с помощью рентгеноструктурного анализа получили трехмерную структуру белка, взаимодействующего с нуклеосомой. Нуклеосома – это дисковидная структура диаметром около 10 нм, являющаяся элементарной единицей упаковки хромосомной ДНК в хроматине (веществе хромосом). Она состоит из белкового ядра, «опоясанного» фрагментом оборота двойной спирали ДНК. Изучение этого процесса, как ожидается, сыграет важную роль в понимании развития серьезных заболеваний, в том числе рака.

ДНК несет в себе генетический «отпечаток» жизни, поэтому ее расшифровка, даже усложненная упаковкой структур в нуклеосомы, очень важна. Нуклеосомы – это, в свою очередь, ключевая цель генетических процессов в клетке. Поэтому им посвящены многие научные исследования: необходимо установить принципы работы нуклеосом в здоровой и пораженной болезнью клетке. Ранее исследователи обнаружили особые ферменты хроматина – белки, которые «включают» или «выключают» определенные гены, связываясь с нуклеосомой.

С тех пор как 13 лет назад была впервые получена трехмерная структура нуклеосомы, ученые пытались понять, как ферменты хроматина распознают их и взаимодействуют с ними.

Чтобы понять это, научная группа профессора Тана

вырастила специальный молекулярный кристалл белка RCC1 (он ответственен за правильное распределение хромосом при делении клетки), связанного с нуклеосомой.

Точное определение структуры в такой ситуации возможно лишь методом рентгеноструктурного анализа, а его проведение требует наличия монокристаллов вещества высокого качества. В случае «больших» биомолекул рост кристалла для анализа является самостоятельной задачей, по сложности соперничающей с самим определением структуры. После успешного завершения процесса роста кристалла была определена структура комплекса.

«Мы показали, что белок RCC1 связывается нуклеосомой с двух сторон – как педали на колесе трехколесного велосипеда», – объяснил профессор Тан.

Полученная структура на атомном уровне показывает, как фермент распознает и ДНК, и белковое ядро нуклеосомы. Это открытие стало еще одним шагом на пути к полному пониманию процессов регулировки

«включения» и «выключения» генов, принципиальных для понимания механизма канцерогенеза.