Istraživački tim s Instituta za nanološke znanosti o životu pri Sveučilištu Kanazawa, pod vodstvom Richarda Wonga, koristio je mikroskopiju atomskih sila velike brzine (HS-AFM) kako bi izravno promatrao interakciju pojedinačnih molekula enzima s DNK. Rezultati su objavljeni u časopisu Nature Communications.
Umjesto uobičajenog pristupa koji se oslanja na kemijske analize, tim je snimio žive molekule u tekućini, bez bojanja i kristalizacije. Tako su uhvatili trenutke prije i poslije rezanja, što dosad nije bilo moguće izravno vidjeti.
Enzimi ne napadaju sve dijelove jednako
Snimke su pokazale da se enzim DNase I ne veže ravnomjerno duž cijele molekule DNK. Najčešće se zadržavao na izloženim krajevima i na mjestima gdje je DNK bila zakrivljena ili lokalno savijena. Pojedinačne molekule enzima vraćale su se na ta ista područja više puta prije nego što bi došlo do vidljivog raspada.
Dulji kontakti bili su češći upravo na zakrivljenim regijama, gdje je i vjerojatnost rezanja bila veća. Istraživači napominju kako HS-AFM ne može izravno prikazati kemijsku reakciju u aktivnom središtu enzima, pa vezu između oblika DNK, ponovljenog vezanja i rezanja opisuju kao prostorno-vremensku korelaciju, a ne kao izravno opažanje katalize.
Na temelju ponavljajućih obrazaca razvili su konceptualni okvir nazvan STORM: skeniranje, ciljanje, zauzimanje, ruptura i mobilizacija. Naglašavaju da je riječ o opisu obrazaca, a ne o fiksnom slijedu kroz koji mora proći svaka molekula enzima.
Čvrsto pakiranje kao štit
Isti tim proučavao je i drugi enzim koji reže DNK, mikrokokalnu nukleazu (MNase). Unatoč razlikama, obrasci su bili slični, što upućuje na to da bi STORM mogao odražavati šira fizikalna načela.
Ključni dio eksperimenta pokazao je kako organizacija DNK može spriječiti njezino razgrađivanje. Kada su istraživači DNK kondenzirali proteinom protaminom, nastale su dvije vrste zbijenih struktura: izdužene štapićaste i prstenaste, takozvane toroide. Enzim DNase I mogao se skupljati oko njih, ali ih nije uspio razgraditi. Toroidne strukture ostale su netaknute tijekom neprekidnog promatranja duljeg od šest minuta, unatoč prisutnosti enzima.
Tek kada bi se zbijene strukture djelomično olabavile, izložene regije ponovno su postale osjetljive na razgradnju. Zaključak je da zaštita ne proizlazi samo iz električne interakcije između protamina i DNK, nego iz prostornog rasporeda koji stvara fizičku barijeru.
Od spermija do genske terapije
Protamini su osobito važni u spermijima, gdje pomažu spakirati očev genom u iznimno zbijenu formu. Rezultati stoga mogu pomoći u razumijevanju kako takva gustoća čuva genetsku informaciju.
Istraživači vide i praktičnu primjenu: pakiranje genetskog materijala u strukture koje ograničavaju pristup nukleazama moglo bi povećati otpornost DNK u terapijama i sustavima za dostavu gena. Osim toga, nalazi su relevantni za izvanstaničnu DNK koja se oslobađa iz oštećenih ili umirućih stanica — ako se ne ukloni učinkovito, može potaknuti imunološke reakcije, a problemi s tim procesom povezani su s upalnim i autoimunim bolestima.
„Naša visokobrzinska AFM snimka omogućuje nam da pratimo interakciju između pojedinačnih nukleaza i DNK dok se događa”, rekao je Jingge Yang. „Vidimo da DNK nije samo pasivna meta. Njezin lokalni oblik i viša organizacija snažno utječu na to gdje će enzimi djelovati i može li razgradnja napredovati”, dodao je Wong.
Ostaje otvoreno pitanje koje autori nisu izravno postavili: ako oblik DNK određuje hoće li biti razgrađena, koliko je onda današnje razumijevanje bolesti povezanih s nakupljanjem izvanstanične DNK nepotpuno? Odgovor bi mogao ležati upravo u strukturi, a ne u količini.