Newswise — STONY BROOK, NY, 14 december 2022 — Elke keer dat een cel zich deelt, moet het genoom nauwkeurig worden gedupliceerd om ervoor te zorgen dat elke nieuwe cel over een complete set genetische instructies beschikt. Dit cruciale proces, bekend als DNA-replicatie, vereist een geavanceerde moleculaire machinerie die het dubbelstrengige DNA kan afwikkelen, de twee strengen kan scheiden en elke streng kan kopiëren om twee identieke kopieën van het originele DNA-molecuul te produceren.

Een van de belangrijkste eiwitten die betrokken zijn bij DNA-replicatie is de replicatieve helicase, een enzym dat werkt als een moleculaire motor om de dubbele DNA-helix af te wikkelen. Het begrijpen van de structuur en het mechanisme van helicasen is essentieel voor het ontrafelen van de complexiteit van DNA-replicatie en voor het identificeren van potentiële doelwitten voor therapeutische interventie bij verschillende ziekten, zoals kanker en virale infecties.

In een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Structural &Molecular Biology heeft een team van wetenschappers van de Stony Brook University en de University of Massachusetts Medical School, onder leiding van de professoren Stephen Leffak en James Berger, aanzienlijke vooruitgang geboekt in het begrijpen van hoe de replicatieve helicase werkt. . Met behulp van geavanceerde cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) bepaalden ze de structuur met hoge resolutie van het replicatieve helicase van Bacillus subtilis in complex met een DNA-substraat.

De structuur onthult dat de helicase een unieke "krabklauw" -vorm heeft, met twee domeinen die samenkomen om het DNA vast te pakken en de twee strengen te scheiden. Dankzij de krabklauwconformatie kan de helicase het DNA-substraat omringen, waardoor een stabiel platform ontstaat voor het afwikkelen van de dubbele helix.

"Deze structuur geeft een duidelijk beeld van hoe de helicase het DNA bindt en afwikkelt", zegt Stephen Leffak, hoogleraar bij de afdeling Biochemie en Celbiologie aan de Stony Brook University. "Dit is een belangrijke stap in de richting van het begrijpen hoe de replicatieve helicase werkt en hoe deze kan worden ingezet voor therapeutische interventie."

Bovendien identificeerden de onderzoekers een belangrijk regulerend mechanisme dat de helicase-activiteit controleert. Ze toonden aan dat de helicase twee verschillende conformaties kan aannemen:een 'open' conformatie waardoor deze aan het DNA kan binden en een 'auto-geremde' conformatie die de helicase inactief houdt. De omschakeling tussen deze twee conformaties wordt gecontroleerd door een klein regulerend eiwit dat het enkelstrengs DNA-bindende eiwit (SSB) wordt genoemd.

"De auto-geremde conformatie fungeert als een veiligheidsmechanisme dat voorkomt dat de helicase het DNA voortijdig afwikkelt", legt James Berger, hoogleraar biochemie en moleculaire farmacologie aan de Medical School van de Universiteit van Massachusetts, uit. "Het SSB-eiwit fungeert als een sleutel die de helicase ontgrendelt, waardoor deze zich aan het DNA kan binden en het replicatieproces kan starten."

Deze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de moleculaire mechanismen van DNA-replicatie en onthullen potentiële doelwitten voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen die de helicase-activiteit kunnen remmen en de DNA-replicatie in pathogene micro-organismen of kankercellen kunnen verstoren.

Het onderzoeksteam werkt nu aan het verder onderzoeken van de structuur en functie van het replicatieve helicase en aan het begrijpen hoe deze interageert met andere eiwitten die betrokken zijn bij DNA-replicatie. Dit onderzoek zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe therapeutische strategieën voor de behandeling van ziekten die verband houden met DNA-replicatiedefecten of ontregeling.

Over Stony Brook University

Stony Brook University is een door SUNY beheerde openbare onderzoeksuniversiteit met meer dan 26.000 studenten en 2.700 docenten. De universiteit biedt meer dan 200 bachelor- en 100 graduate-opleidingen aan in een breed scala aan disciplines, waaronder gezondheidswetenschappen, techniek, bedrijfskunde, sociale wetenschappen en geesteswetenschappen. Tot de ultramoderne faciliteiten van Stony Brook behoren het Stony Brook Southampton Marine Science Center, het Institute for Advanced Computational Science en het Laufer Center for Physical and Biological Sciences. De universiteit is lid van de prestigieuze Association of American Universities en staat bekend om haar uitmuntendheid op het gebied van onderzoek en onderwijs.