Репликация ДНК — основа генетического постоянства и разнообразия
Временной порядок репликации ДНК тесно связан с архитектурой генома. Однако механизмы участия в этих процессах цис-регуляторных элементов хромосом по-прежнему оставались неясными. Генетическая информация организма, представленная в структурах ДНК, реплицируется через равные временные интервалы. Это витально необходимо для каждого организма и определяет широкий спектр процессов жизнедеятельности — от реакций адаптации до фенотипических морфологических характеристик.
Впервые репликация ДНК была описана более 60 лет назад. Однако с тех пор исследователи всего мира не смогли приблизиться к пониманию тонкостей регуляции этого процесса. В новом исследовании командой ученых Университета штата Флорида (Florida State University), США, был описан каскад регуляции клеточных процессов репликации ДНК, что стало важным шагом в направлении будущих исследовательских и терапевтических возможностей генетики. В статье, опубликованной в издании «Cell» 27 декабря 2018 г., авторы описали механизм функционирования регуляторных фрагментов, являющихся частью ДНК и контролирующих процессы репликации.
Процесс репликации ДНК и механизмы его контроля
Профессор молекулярной биологии Дэвид М. Гилберт (David M. Gilbert) отметил, что механизм репликации ДНК представлялся процессом достаточно устойчивым к каким бы то ни было внешним экспериментальным влияниям. Ранее были даны подробные описания этого механизма с указанием особенностей изменения в разных типах клеток и аспектов его нарушения в условиях клеточной патологии. Однако до настоящего времени оставался неизвестным наиболее важный аспект этого сложного каскада взаимодействий — элементы управления или последовательности ДНК, осуществляющие контроль.
Ранее командой исследователей были продемонстрированы механизмы дублирования различных сегментов хромосом, что послужило материалом более 100 работ по исследованию структурных характеристик и репликации хромосом. В ходе нового исследования коллективом ученых проведен ряд молекулярных экспериментов, позволивших наблюдать более 100 генетических мутаций ДНК, в поисках возможностей увидеть результат, который бы позволил наилучшим образом объяснить процессинг регуляции репликации ДНК.
В частности, при изучении одного из сегментов ДНК с максимально возможным разрешением в модели 3D вдоль молекулярной цепи ДНК ученым удалось идентифицировать три характерные последовательности, нередко соприкасающиеся друг с другом. На последующем этапе работы для одновременного выделения обнаруженных фрагментов исследователи применили технологию CRISPR, позволяющую редактировать геномные последовательности. Продолжив наблюдение, исследователи установили, что удаление этих элементов привело к смещению времени репликации изучаемого сегмента от начала до конца процесса. Таким образом, наблюдаемый результат стал основанием для вывода о том, что выявленные три элемента в совокупности являются ключом управления процессом репликации ДНК. Также в дополнение к влиянию на время репликации установлено, что удаление этих трех элементов вызывало резкое изменение трехмерной структуры молекулы ДНК.
На пути к генной терапии наследственных заболеваний
Комментируя полученные результаты, авторы подчеркнули, что впервые в истории генетики описаны конкретные геномные последовательности, непосредственно регулирующие как структуру хроматина, так и время репликации. Новые данные объясняют одну из возможных моделей внутриклеточного ДНК-процессинга, а также то, каким образом схемы этого процессинга могут оказывать влияние на функциональность наследственного материала. Более глубокое понимание того, как регулируется репликация ДНК, открывает новые пути исследований в области генетики и терапевтических возможностей геномного редактирования. Возможности изменения и управления временными параметрами репликации позволяют полностью изменить интерпретацию генетической информации клетки.
По словам исследователей, такой потенциал генной терапии поистине безграничен и вдохновляет на поиск новых перспектив в терапии сложных генетических заболеваний, обусловленных смещением временных параметров репликации ДНК. «Если дублирование, репликация наблюдаются в другом месте и времени, создаваемая при этом белковая структура может быть абсолютно иной. Клеточные механизмы репликации подвержены временным изменениям. Однако подобные изменения трансформируют фенотип генетической информации», — отметил Д.М. Гилберт.
- Sima J., Chakraborty A., Dileep V. et al. (2018) Identifying cis Elements for Spatiotemporal Control of Mammalian DNA Replication. Cell, Dec. 27 [Epub. ahead of print].
Наталья Савельева-Кулик
