Die Struktur eines komplexen biologischen Systems zu kennen, reicht bei weitem nicht aus, um zu verstehen, wie es funktioniert. Es hilft zu wissen, wie sich das System bewegt.
Vor diesem Hintergrund haben Forscher der Rice University einen Schlüsselmechanismus modelliert, durch den sich DNA repliziert.
Durch die Kombination von Strukturexperimenten und Computersimulationen haben der Biowissenschaftler Yang Gao, der theoretische Physiker Peter Wolynes, der Doktorand Shikai Jin und ihre Kollegen Details darüber aufgedeckt, wie Helikasen, eine Familie ringförmiger Motorproteine, die DNA während der Replikation in Konflikt bringen. Ihre Arbeit könnte neue Angriffspunkte für Medikamente zur Krankheitsbekämpfung aufzeigen.
Die Synergie zwischen den Experimenten und groß angelegten Simulationen, die sie in den Proceedings of the National Academy of Sciences beschreiben, könnte zu einem Paradigma für die Modellierung der Mechanismen vieler komplexer biologischer Systeme werden.
„Dies sind dynamische Prozesse, die mit experimentellen Methoden allein nicht gut erfasst werden können“, sagte Gao, Assistenzprofessor für Biowissenschaften und CPRIT-Stipendiat in Krebsforschung. „Aber es ist wichtig, die Mechanismen dieser Helikasen zu zeigen, weil sie für die DNA-Replikation und auch mögliche Angriffspunkte für Medikamente unerlässlich sind.“
Hexamere Helikasen haben sechs Seiten, die sich aus Peptiden selbst zu einem scheibenartigen Ring zusammenfügen, der die elterlichen DNA-Doppelstränge in Tochter-Einzelstränge trennt. Bisher konnten die Forscher nicht feststellen, wie die Helikase beim Entpacken des Doppelstrangs vorgeht.
Die Rice-Simulationen stützen die Idee, dass DNA-Bindungsschleifen innerhalb der sechs Untereinheiten der Helikase eine Art Treppe bilden, die sich das DNA-Rückgrat hinunterbewegt, angetrieben durch ATP-Hydrolyse, den Prozess, durch den gespeicherte chemische Energie in ATP-Molekülen freigesetzt wird.
Es war bekannt, dass ATP von NTPase-Proteinen in jeder Untereinheit angezogen wird, um die Schrittbewegung anzutreiben. Aber die Forscher hatten nicht genau verstanden, dass die ATP-Hydrolyse der Schlüssel ist. Das Rice-Team stellte fest, dass ATP die Helikase-Untereinheiten fest bindet, dass die Hydrolyse jedoch die Energiebarriere für die Dissoziation der Untereinheiten erheblich senkt, wodurch das Protein einen Schritt nach vorne machen kann.
Eine Simulation zeigt, wie sich ein sechsseitiges Helikase-Protein entlang eines DNA-Strangs bewegt, während es während der Replikation Doppelstränge in Einzelstränge trennt. Theoretiker der Rice University fanden heraus, dass die ATP-Hydrolyse der Schlüssel zur Treppenbewegung der Proteine ist. Hier ist ein vollständiger Schritt zu sehen. Bildnachweis: Yang Gao und Shikai Jin
Die Forscher stellten fest, dass es nur wenige Versuche gab, die Translokation der Helikase von einem Ende des Strangs zum anderen zu simulieren, da der Helikase-DNA-Komplex so groß ist. Der Rice-Hybrid aus zwei grobkörnigen Simulationstechniken bot die Möglichkeit, den Prozess von Anfang bis Ende zu studieren.
Die Simulationen deckten mehrere bisher unbekannte Zwischenzustände auf und zeigten die Wechselwirkungen auf, die an der Langstreckenbewegung der Helikase beteiligt sind. Sie zeigten, dass jeder Translokationsschritt mehr als 12 Nukleotide entlang des Rückgrats zurücklegen kann.
Um nach dem Mechanismus zu suchen, konzentrierte sich das Team auf den T7-Bakteriophagen, ein Virus, das Bakterien infiziert, die oft als Modellsystem verwendet werden. Um seine als gp4 bekannte Helikase zu simulieren, kombinierten die Forscher zwei Kraftfelder: AWSEM, das ursprünglich von Wolynes und seinen Kollegen entwickelt wurde, um vorherzusagen, wie sich Proteine falten, und open3SPN2, ein DNA-Simulator, der vom Molekularingenieur Juan de Pablo an der University of Chicago entwickelt wurde. Kraftfelder beschreiben die Kräfte, die bestimmen, wie sich Atome und Moleküle bei Kontakt bewegen. (Die neuartige Kombination von Kraftfeldern war Gegenstand eines von Rice geleiteten 2021 Papier hinein PLOS Computational Biology.)
Beide Kraftfelder sind grobkörnige Molekularmodelle, die auf maschinellem Lernen basieren und nur eine Teilmenge der Atome in einem System verwenden, aber dennoch genaue Ergebnisse liefern und gleichzeitig die Rechenzeit erheblich verkürzen.
„Die Kombination der Modelle ermöglichte die GPU-Beschleunigung, sodass wir unsere Molekulardynamik-Simulationen sehr schnell durchführen konnten“, sagte Jin. „Die kombinierte Software ist jetzt 30-mal schneller als Versionen, die wir für andere Studien verwendet haben.“
Es hilft, dass T7 halb so groß ist wie Helikasen in menschlichen Zellen. „In menschlichen Systemen gibt es sechs verschiedene Polypeptidketten in der Helikase, aber in T7 ist es dieselbe, die sechs Kopien macht“, sagte er.
„Da sich unsere neue Form von open3SPN2 mit einem einzelnen DNA-Strang befasst, können wir Prozesse analysieren, bei denen sich die normalerweise doppelsträngige DNA öffnet, wie dies in Gegenwart der Helikase der Fall ist“, sagte Wolynes, Co-Direktor des Rice’s Center for Theoretische Biologische Physik. „Das einzelsträngige DNA-Kraftfeld selbst ist neuartig, aber dies war nur ein Hintergrund in diesem Projekt, wo es uns ermöglicht, den Prozess im Detail zu betrachten.“
„Die Kryo-EM-Strukturen, die wir für diese essentiellen Komplexe haben, sind physiologisch präzise, aber diese Systeme sind dynamisch“, sagte Gao. „Sie müssen umziehen, um ihre Arbeit zu erledigen, und wir möchten noch viel darüber wissen, wie sie das tun.
„Hier können diese Rechenmodelle einen großen Beitrag leisten und sie werden sicher an andere große Systeme angepasst, um ziemlich wichtige Fragen zu untersuchen“, sagte er.
Shikai Jin et al, Computergestützte Untersuchung des Mechanismus der Translokation der Helikase des Bakteriophagen T7 gp4 entlang der ssDNA, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2202239119