Давно известно, что структура молекулы ДНК играет ключевую роль в регуляции генетической информации. Однако недавние исследования показали, что в процессе выполнения своих функций молекула ДНК не только скручивается и распутывается, но и образует новые сложные структуры — так называемые «спирали» или «спиралы» (в научной литературе — «plectonemes»). Эти естественные спиральные образования формируются под воздействием механического напряжения, вызванного внешним давлением или внутренней торсионной нагрузкой, и имеют огромное значение для понимания процессов, протекающих внутри клетки.

За последние десятилетия учёные активно используют технологию nanopore — очень маленькие отверстия, достаточные для прохождения одной молекулы ДНК. Эти нанопоры позволяют быстро и относительно недорого декодировать генетическую информацию, основываясь на измерениях электрического тока. Проходя через нанопору, молекула ДНК вызывает характерные изменения тока, которые воспринимаются как последовательность «пиков» и «спадов». Изначально подобные отклонения интерпретировались как признаки «узлов» — очень плотных скручиваний ДНК.

Однако исследование, опубликованное 12 августа в журнале Physics Review X, показало, что подобные сигналы могут также свидетельствовать о наличии природных «спиралей» — фигурных структур, образующихся при скручивании ДНК под воздействием напряжения. Эти структуры представляют собой не «узлы», а скорее «пружины» — изогнутые и закрученные сегменты, которые формируются при возникновении механического крутящего момента.

Это открытие существенно расширяет понимание того, как ДНК реагирует на механические и химические воздействия. Внутри клетки молекула подвергается постоянному воздействию различных сил: она копируется, транскрибируется, расплетается и упаковывается в хроматин. Понимание структуры и динамики этих «спиралей» — важный шаг к расшифровке того, как именно регулируется активность генов и как нарушаются эти процессы при заболеваниях, таких как рак или наследственные болезни.

Например, было установлено, что при применении в эксперименте высокого электрического напряжения к нанопоре, через которую пропускается ДНК, внутри молекулы возникает сильный крутящий момент. Под действием этого крутящего момента молекула закручивается, формируя plectonemes, или «спиральные закрутки». Эти структуры в свою очередь влияют на то, как быстро и каким образом ДНК транскрибируется или реплицируется.

Учёные использовали экспериментальные системы, в которых проходили длинные цепочки ДНК через конусовидные нанопоры в растворах с высоким pH и электролитическим фоном. В процессе пропускания через нанопору молекула подвергалась воздействию электромагнитных сил, вызывающих её вращение. Такое вращение создаёт крутящий момент, который и заставляет молекулу закручиваться в спирали.

Важной находкой стало то, что степень закручивания зависит от приложенного напряжения и окружающей среды. При увеличении напряжения plectonemes становились более заметными, а анализ тысяч событий выявил, что эти структуры достигают в диаметре около 2 100 нанометров, тогда как «узлы» — всего около 140 нанометров. Заметим, что в условиях естественной клетки подобные закрутки могут возникать и без внешнего давления, в результате внутренних процессов, например, при репликации или транскрипции.

Для проверки гипотезы о механизме формирования закрученных структур, учёные внесли в цепочки ДНК так называемые «пики» — небольшие разрывы в цепи (nicks), позволяющие молекуле легче вращаться и отпускать накопившийся крутящий момент. В результате уменьшения или устранения возможности закручивания структура plectonemes стала появляться реже. Это подтвердило, что механический крутящий момент, и в частности, торсионное напряжение — ключевой фактор образования этих спиралей.

Также было установлено, что воздействие высоких напряжений способствует усилению формирования этих структур, что важно в контексте понимания процессов внутри клетки. Так, при транскрипции и репликации молекула ДНК подвергается сильным механическим изменениям. В результате могут образовываться не только классические «узлы», но и более сложные «спирали» качества, аналогичные тем, что были обнаружены в лаборатории.

Обнаружение формирования plectonemes в экспериментальных условиях предполагает, что подобные структуры могут возникать и в живых клетках. Особенно это интересно в контексте таких процессов, как транскрипция, репликация и упаковка хроматина. Например, образование спиралей может влиять на активность генов, закрывать или открывать доступ к определённым участкам ДНК, а также играть роль в возникновении генетических мутаций и повреждений.

Учёные предполагают, что механизмы, связанные с образованием и регулировкой этих структур, могут оказывать существенное влияние на развитие онкологических заболеваний и генетических нарушений. Дополнительные исследования ведутся по выявлению природных факторов, вызывающих образование таких структур, и их влияния на функционирование клетки.

Понимание физики закрученных структур — не только теоретическая задача. В будущем это может открыть новые горизонты в области геномных технологий. Например, с помощью нанопор можно не только декодировать последовательность ДНК, но и определять её структурное состояние. Это позволит создавать новые методы диагностики заболеваний, связанных с нарушением структурной динамики ДНК, и разрабатывать лекарства, которые могут изменять эти механизмы.

Также расширение знаний о формировании и управлении plectonemes поможет понять, как клетка регулирует свои гены, и как можно влиять на эти процессы для терапии рака или наследственных болезней. Важным направлением является поиск способов искусственного управления структурой ДНК при помощи нанотехнологий или генной терапии.

Обнаружение и подробное изучение спиральных структур в ДНК под действием механических нагрузок — важный шаг к разгадке сложных механизмов генетической регуляции и организации молекул. Эти структуры могут играть ключевую роль в физиологических и патологических процессах внутри клетки, а их понимание откроет новые возможности для диагностики и терапии. В будущем учёные рассчитывают использовать эти знания для создания инновационных методов исследования и лечения заболеваний, связанных с нарушением геномной архитектуры.