O DNA segue um caminho em zigue-zague dentro de um canal criado por dois anéis de 6 lados. Este novo nível atômico feito com tecnologia crio-EM, sugere como o DNA interage com os dois anéis pouco antes de ser separado em cadeias 'principais' e 'retardadas'. Toda a vida depende de coreografia absolutamente precisa, quando uma célula começa a replicar seu DNA para formar duas células. Crédito:Van Andel Research Institute
A vida seria impossível se o DNA nas células em divisão fosse replicado com qualquer coisa menos que uma precisão quase perfeita. Cada vez que uma célula nucleada se compromete a se tornar duas células, cada "letra" de seu genoma deve ser replicada uma vez e apenas uma vez. Em humanos, a tarefa confunde a imaginação. Se desenrolado, a dupla hélice comprimida em cada uma de nossas células teria 6 pés de comprimento. Somente em nossa medula óssea, meio bilhão de novas células nascem a cada minuto. Essas células sozinhas contêm DNA suficiente para envolver o equador da Terra 25 vezes. Dentro de tolerâncias assustadoras, cada nova célula deve ter um genoma idêntico ao da célula que deu origem a ela. Câncer e outras doenças podem ocorrer quando o processo dá errado.
Descobrir como a replicação precisa funciona no nível de moléculas e átomos individuais é uma das grandes conquistas da ciência moderna. A jornada dos investigadores ainda não acabou, Contudo. Uma grande parte não resolvida do quebra-cabeça é entender como todo o processo de cópia do genoma começa. Em uma nova pesquisa, uma visão de como as duas posições da dupla hélice se separam nos primeiros estágios de replicação está se tornando clara.
Uma colaboração de longa data de pesquisadores em Londres, Grand Rapids, Michigan e Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) em Nova York relata a estrutura de nível atômico de enzimas helicases gêmeas carregadas cabeça a cabeça, com a dupla hélice de DNA visível no canal circular que passa por ambas as helicases. A configuração, uma parte do complexo pré-replicativo (pré-RC), nunca foi criado com êxito a imagem nesta configuração antes.
A façanha foi possível graças a uma nova instalação de microscopia ciroeletrônica (crio-EM) no Instituto de Pesquisa Van Andel, casa de um dos investigadores principais, Dr. Huilin Li. O Dr. Li colaborou com o Dr. Bruce Stillman da CSHL e o Dr. Christian Speck, Professor de Bioquímica do Genoma e Biologia Molecular no Imperial College de Londres por mais de 12 anos. Em 1992, Stillman e colegas descobriram o complexo de proteína chamado complexo de replicação de origem (ORC), que monta complexos de proteínas em muitos locais chamados "locais de início" ao longo da dupla hélice, onde a replicação é iniciada. O trabalho do Dr. Speck mostrou que ORC se combina com outras proteínas - Cdc6, Cdt1 e o hexâmero de Mcm2-7 - para iniciar o processo de duplicação do DNA.
Muitos esforços anteriores revelaram como o ORC monta e encontra locais iniciais. Existem muitos desses sites, organizado por domínios, no complexo genoma humano; muito menos em formas de vida mais simples, como o fermento de padeiro. A nova pesquisa se preocupa com o que acontece após o reconhecimento inicial dos locais de início e como a hélice de DNA pode ser desenrolada.
A dupla hélice do DNA segue um caminho em zigue-zague dentro de um canal criado por dois anéis de 6 lados. Esta nova visão em nível atômico feita com tecnologia crio-EM, sugere como o DNA interage com os dois anéis pouco antes de ser separado em cadeias 'principais' e 'retardadas'. Toda a vida depende de uma coreografia absolutamente precisa, quando uma célula começa a replicar seu DNA para formar duas células. Crédito:Van Andel Research Institute
Como vividamente mostrado nas novas imagens crio-EM ", "as enzimas helicase Mcm2-7 gêmeas de seis lados que circundam a dupla hélice parecem insetos simétricos ou, possivelmente, espaçonaves gêmeas ancoradas frente a frente. A pergunta respondida pela nova estrutura é como a dupla hélice está situada dentro do canal que ela forma, e como o DNA interage com a estrutura circundante. Com base nesse novo conhecimento, uma visão de como as duas fitas de DNA se separam, há muito um mistério, está começando a ser descoberto.
"As novas imagens mostram que, uma vez carregadas no hexâmero duplo - ou DH, como chamamos de helicases cabeça-a-cabeça - a dupla hélice faz um caminho em zigue-zague através do canal central, que é meio torto, "Os autores explicam." Os dois hexâmeros em forma de barril estão posicionados de tal maneira que estão prontos para destorcer a dupla hélice quando ativados. "
Uma consequência é especialmente importante:a torção na estrutura do complexo formado pelos anéis duplos cria uma tensão torturante:eles carregam com uma tensão inerente que os torna algo como uma mola em espiral. Detalhes na estrutura não vistos anteriormente revelam como várias subunidades de proteínas dos hexâmeros gêmeos se fixam na dupla hélice, por meio de pequenas estruturas semelhantes a loops.
O cenário apresentado por Li, Speck, Stillman e seus colegas afirmam que os hexâmeros gêmeos carregam em tensão, fazendo com que uma das duas fitas do DNA passando por eles literalmente se agrupasse contra uma "porta" fechada em um lado do anel, e a outra vertente contra outra "porta" fechada no lado oposto. A equipe propõe que uma das duas portas se abra quando o processo de replicação for ativado (por meio da intervenção de proteínas quinases e outras moléculas auxiliares).
Através da porta aberta na helicase - mas apenas de um lado - um fio da dupla hélice é forçado para fora, ou "extrudado". A equipe propõe que se torne o que é chamado de "fita retardada" no processo de replicação do DNA. A outra vertente, permanecendo no centro do canal helicoidal, torna-se a "fita principal" na replicação. Os motores moleculares carregados nos dois hexâmeros fornecem energia para sua separação. Uma helicase ativada passa pela outra, à medida que a replicação de cada fita prossegue em direções opostas, como deduzido por biólogos décadas atrás.
As estruturas mais recentes foram possibilitadas por avanços na técnica chamada microscopia crioeletrônica, onde um feixe de elétrons é passado através do congelado, partículas únicas de proteína-DNA para obter uma imagem tridimensional próxima ao nível atômico. Os principais desenvolvedores do método, que agora é amplamente usado, recebeu o Prêmio Nobel de Química de 2017.
