Рисунок 1: Клетка, хромосома и теломеры. Предоставлено: Фьен Лифланг/Лейденский университет.

С помощью физики и крохотного магнита исследователи обнаружили новую структуру теломерной ДНК. Теломеры иногда рассматриваются как ключ к долгой жизни. Они защищают гены от повреждений, но становятся немного короче каждый раз, когда клетка делится. Если они становятся слишком короткими, клетка погибает. Новое открытие поможет нам понять старение и болезни.

Физика — не первая научная дисциплина, которая приходит на ум при упоминании ДНК. Но Джон ван Ноорт из Лейденского института физики (LION) — один из ученых, обнаруживших новую структуру ДНК. Биофизик, он использует методы из физики для биологических экспериментов. Это также привлекло внимание биологов из Наньянского технологического университета в Сингапуре. Они попросили его помочь изучить структуру ДНК теломер. Результаты они опубликовали в Nature.

Бусы

В каждой клетке нашего тела есть хромосомы, несущие гены, определяющие наши характеристики (например, то, как мы выглядим). На концах этих хромосом находятся теломеры, защищающие хромосомы от повреждений. Они чем-то напоминают аксельбанты, пластиковые наконечники на конце шнурка.

Длина ДНК между теломерами составляет два метра, поэтому она должна быть свернута, чтобы поместиться в клетке. Это достигается за счет оборачивания ДНК вокруг пакетов белков; вместе ДНК и белки называются нуклеосомами. Они организованы в нечто похожее на бусину, с нуклеосомой, частью свободной (или несвязанной) ДНК, нуклеосомой и так далее.

Рисунок 2: Три разные структуры ДНК. Предоставлено: Фьен Лифланг/Лейденский университет.

Затем эта нить бисера складывается еще больше. Как это происходит, зависит от длины ДНК между нуклеосомами, бусинами на нитке. Уже были известны две структуры, возникающие после складывания. В одном из них две соседние бусинки слипаются, а между ними висит свободная ДНК (рис. 2А). Если отрезок ДНК между бусинами короче, соседние бусины не успевают склеиться. Затем формируются две стопки рядом друг с другом (рис. 2Б).

В своем исследовании Ван Ноорт и его коллеги обнаружили другую структуру теломер. Здесь нуклеосомы гораздо ближе друг к другу, поэтому между бусинами больше нет свободной ДНК. В конечном итоге это создает одну большую спираль или спираль ДНК (рис. 2С).

Новая структура была обнаружена с помощью комбинации электронной микроскопии и молекулярно-силовой спектроскопии. Последний метод исходит из лаборатории Ван Ноорта. Здесь один конец ДНК прикреплен к предметному стеклу, а к другому прикреплен крошечный магнитный шарик. Набор сильных магнитов над этим шаром разделяет нить жемчуга. Измерив силу, необходимую для того, чтобы разъединить бусины одну за другой, вы узнаете больше о том, как складывается нить. Затем исследователи из Сингапура использовали электронный микроскоп, чтобы получить более четкое представление о структуре.

Структура, по словам Ван Норта, является «святым Граалем молекулярной биологии». Если мы будем знать структуру молекул, это даст нам больше информации о том, как включаются и выключаются гены и как ферменты в клетках взаимодействуют с теломерами: например, как они восстанавливают и копируют ДНК. Открытие новой теломерной структуры улучшит наше понимание строительных блоков в организме. И это, в свою очередь, в конечном итоге поможет нам изучать старение и такие болезни, как рак, и разрабатывать лекарства для борьбы с ними.