Знания структуры сложной биологической системы недостаточно, чтобы понять, как она работает. Это помогает узнать, как движется система. В свете этого исследователи Университета Райса смоделировали ключевой механизм репликации ДНК. Сочетая структурные эксперименты и компьютерное моделирование, биолог Ян Гао, физик-теоретик Питер Волинс, аспирант Шикай Джин и их коллеги раскрыли подробности того, как хеликазы, семейство кольцеобразных моторных белков, спорят с ДНК во время репликации. Их работа может выявить новые цели для лекарств для борьбы с болезнями.
Синергия между экспериментами и крупномасштабными симуляциями, которые они описывают в Proceedings of the National Academy of Sciences, может стать парадигмой моделирования механизмов многих сложных биологических систем. «Это динамические процессы, которые невозможно хорошо уловить только экспериментальными методами», — сказал Гао, доцент кафедры биологических наук и научный сотрудник CPRIT в области исследований рака. «Но важно показать механизмы этих хеликаз, потому что они необходимы для репликации ДНК, а также возможных мишеней для лекарств».
Гексамерные геликазы имеют шесть сторон, которые самособираются из пептидов в шайбоподобное кольцо, которое разделяет родительские двойные нити ДНК на дочерние одинарные нити. До сих пор исследователи не могли точно определить, как геликаза расстегивает двойную нить.
Моделирование Райса подтверждает идею о том, что ДНК-связывающие петли в шести субъединицах хеликазы образуют своего рода лестницу, которая движется вниз по остову ДНК за счет гидролиза АТФ — процесса, в ходе которого высвобождается запасенная химическая энергия в молекулах АТФ.
Было известно, что АТФ притягивается к белкам NTPase в каждой субъединице, чтобы управлять шагающим движением. Но исследователи точно не понимали, что ключом является гидролиз АТФ. Команда Райса обнаружила, что АТФ прочно связывает субъединицы хеликазы, но этот гидролиз значительно снижает энергетический барьер для диссоциации субъединиц, позволяя белку двигаться вперед.
Исследователи отметили, что, поскольку комплекс геликаза-ДНК настолько велик, было предпринято всего несколько попыток смоделировать перемещение геликазы с одного конца цепи на другой. Гибрид Райса из двух методов грубого моделирования предоставил возможность изучить процесс от начала до конца.
Моделирование выявило несколько ранее неизвестных промежуточных состояний и точно определило взаимодействия, связанные с перемещением геликазы на большие расстояния. Они показали, что каждый шаг транслокации может пройти более 12 нуклеотидов вдоль остова.
Чтобы найти механизм, команда сосредоточилась на бактериофаге T7, вирусе, который заражает бактерии, часто используемые в качестве модельной системы. Чтобы смоделировать его геликазу, известную как gp4, исследователи объединили два силовых поля: AWSEM, первоначально разработанный Волайнсом и его коллегами для предсказания того, как сворачиваются белки, и open3SPN2, симулятор ДНК, разработанный молекулярным инженером Хуаном де Пабло из Чикагского университета. Силовые поля описывают силы, которые определяют, как атомы и молекулы движутся при контакте. (Новая комбинация силовых полей была предметом статьи Райс 2021 года в PLOS Computational Biology.)
Оба силовых поля представляют собой крупнозернистые молекулярные модели, основанные на машинном обучении, которые используют только подмножество атомов в системе, но при этом дают точные результаты и значительно сокращают время вычислений.
«Объединение моделей обеспечило ускорение графического процессора, поэтому мы могли очень быстро выполнять симуляции молекулярной динамики», — сказал Джин. «Комбинированное программное обеспечение теперь в 30 раз быстрее, чем версии, которые мы использовали для других исследований».
Помогает то, что Т7 в два раза меньше геликазы в клетках человека. «В организме человека в геликазе шесть разных полипептидных цепей, но в Т7 одна и та же цепь образует шесть копий», — сказал он.
«Поскольку наша новая форма open3SPN2 имеет дело с одной цепью ДНК, она позволяет нам анализировать процессы, при которых обычно двухцепочечная ДНК раскрывается, как это происходит в присутствии хеликазы», — сказал Волинс, содиректор Центра исследований Райса. Теоретическая биологическая физика. «Само по себе силовое поле одноцепочечной ДНК является новым, но оно было лишь фоном в этом проекте, где оно позволяет нам рассмотреть процесс в мельчайших деталях».
«Крио-ЭМ-структуры, которые у нас есть для этих важных комплексов, физиологически точны, но эти системы динамичны», — сказал Гао. «Им приходится переезжать, чтобы выполнять свою работу, и мы еще многое хотим узнать о том, как они это делают. «Именно здесь эти вычислительные модели могут внести большой вклад, и они наверняка будут адаптированы к другим крупным системам для изучения довольно важных вопросов», — сказал он.
