Хеликазы (от helix – спираль) относятся к классу ферментов – «молекулярных машин», поскольку они используют энергию нуклеотидтрифосфатов (АТФ, ГТФ) для движения вдоль молекул нуклеиновых кислот (ДНК, двухцепочечных РНК, гибридов между ДНК и РНК) и расплетания двойных цепочек нуклеотидов.

При удвоении хромосом перед делением клетки хеликаза вращает спираль ДНК со скоростью 4500 оборотов в минуту, топоизомераза и ДНК-связывающие белки удерживают матрицу в разведенном состоянии, а несколько разных ферментов с общим названием ДНК-полимеразы присоединяют к каждой из матричных цепей нуклеотидные основания.

Развилки на цепочках ДНК появляются и исчезают очень быстро, и специалисты долгое время не могли прийти к общему мнению: принимает ли хеликаза активное участие в инициации первоначального расхождения спирали ДНК или она пассивно ждет, когда цепочки на мгновение спонтанно разойдутся и пользуется этим моментом, чтобы приступить к работе.

Ученым Корнеллского университета недавно удалось найти ответ на этот фундаментальный молекулярно-генетический вопрос. Оригинальный подход к изучению данной проблемы заключался в том, что одной конец спирали ДНК (на схеме он уходит за правый край рисунка) авторы укрепили на поверхности тонкого покровного стекла, а к другому концу прикрепили пластиковый шарик диаметром в несколько микрон (на схеме цепочки ДНК изображены в виде зеленой и сиреневой лент). С помощью направленного на шарик сфокусированного лазерного луча они зафиксировали его внутри светового потока. В результате получился очень чувствительный сенсор, позволяющий оценивать движение хеликазы (желтая глобула) по положению шарика и прикладываемому к нему усилию (точность измерения составляла около 1 пиконьютона). По мере продвижения хеликазы к закрепленному концу ДНК спираль постепенно раскручивалась, и натяжение отдельных нитей уменьшалось.

Анализ параметров продвижения фермента с помощью математической модели показал, что хеликаза активно разрывает водородные связи между нуклеотидами.

Тот факт, что в лабораторных условиях хеликаза работает гораздо медленнее, чем в клетке, указывает на наличие каких-то дополнительных ферментов, обеспечивающих дестабилизацию связей между цепочками спирали ДНК и тем самым облегчающих выполнение работы.

Важность данной работы в частности и изучения функционирования хеликаз в целом обусловлена тем, что этот фермент необходим для нормального протекания практически всех клеточных процессов с участием ДНК и РНК (трансляции, транскрипции, репликации, рекомбинации, репарации, сплайсинга), а нарушения функций хеликаз ассоциированы с развитием многих заболеваний человека, в том числе предрасположенностью к онкологическим заболеваниям и преждевременным старением.

Статья Daniel S. Johnson et al. »Single-Molecule Studies Reveal Dynamics of DNA Unwinding by the Ring-Shaped T7 Helicase» опубликована в журнале Cell от 29 июня.

Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам Cornell University.