Nasza grupa bada systemy, które przetwarzają informację genetyczną w komórkach. Informacja ta jest zakodowana w DNA i RNA. Specjalne białkowe maszyny komórkowe odczytują tę informację, zapewniają jej stabilność oraz ją kopiują. Aby zrozumieć, jak działają, badamy je na poziomie pojedynczych atomów. Określiliśmy między innymi mechanizmy działania maszynerii molekularnych naprawiających chemicznie uszkodzone DNA. 

Podsumowanie badań

Wykorzystujemy biologię strukturalną, przede przewszystkim mikroskopię krioelektronową, a także krystalografię białek i biochemię białek, aby wyjaśniać mechanizmy działania enzymów zaangażowanych w przetwarzanie informacji genetycznej zakodowanej w DNA i RNA. W szczególności badamy naprawę DNA i transpozycję, odwrotną transkrypcję, replikację wirusów, przetwarzanie RNA, ligazy tRNA oraz bakteryjne systemy antyfagowe. 

W naszych ostatnich badaniach określiliśmy architekturę molekularną kluczowego kompleksu jednej z głównych dróg naprawy DNA u bakterii: rekombinacji homologicznej. Kompleks ten, złożony z białek RecF, RecR i RecO, odpowiada za tworzenie filamentu białka RecA na jednoniciowym DNA. Filament ten wspomaga poszukiwanie homologicznego DNA w procesie naprawy. 

Badamy również białko UvrA, ważny element bakteryjnego systemu naprawy DNA przez wycinanie nukleotydów. Wykazaliśmy, że zmiany konformacyjne UvrA napędzane przez ATP służą mechanicznemu sondowaniu elastyczności DNA, której wzrost może wskazywać na obecność uszkodzenia. Wyniki te wskazują na nowy paradygmat w naprawie DNA: lokalizację uszkodzenia poprzez mechaniczne sprawdzanie integralności podwójnej helisy. 

Określiliśmy także struktury i mechanizmy działania nietypowych odwrotnych transkryptaz zaangażowanych w odpowiedź antyfagową, takich jak AbiK, Abi-P2, AbiA oraz UG10/DRT7. Enzymy te są unikatowe, ponieważ syntetyzują długie fragmenty jednoniciowego DNA w sposób niezależny od matrycy i startera. Inicjują syntezę przez kowalencyjne przyłączenie pierwszego nukleotydu do reszty tyrozyny.

Znaczenie naukowe

Nasze badania pozwoliły wyjaśnić, jak bakteryjny kompleks rekombinacji homologicznej RecFOR uczestniczy w naprawie DNA oraz jak białko UvrA rozpoznaje uszkodzenia DNA poprzez mechaniczne sondowanie podwójnej helisy. Prace te dostarczają szczegółowego, strukturalnego opisu kluczowych etapów bakteryjnych procesów naprawczych. 

Określiliśmy również strukturę i mechanizm działania bakteryjnej odwrotnej transkryptazy AbiA, zaangażowanej w obronę przed bakteriofagami. Wyniki te uzupełniają wiedzę o nietypowych odwrotnych transkryptazach antyfagowych i pokazują, jak enzymy te mogą syntetyzować DNA bez matrycy i startera. 

W ostatnich latach laboratorium uzyskało także strukturalne dane dotyczące kompleksu ligazy tRNA kręgowców oraz mechanizmów replikacji DNA herpeswirusów. Badania te wpisują się w szerszy cel laboratorium: wyjaśnianie molekularnych podstaw procesów odpowiedzialnych za odczyt, stabilność i kopiowanie informacji genetycznej.

Plany badawcze

W najbliższej przyszłości będziemy kontynuować badania nad naprawą DNA i transpozycją. Chcemy w pełni wyjaśnić mechanizm działania kompleksu RecFOR oraz zrozumieć, jak odwrotne transkryptazy antyfagowe działają in vivo w komórkach bakteryjnych. Równolegle będziemy rozwijać badania nad mechanizmami odwrotnych transkryptaz, ligaz tRNA oraz replikacji DNA w herpeswirusach. 

Komentarz

„Nasze obecne badania koncentrują się na przetwarzaniu informacji zakodowanej w DNA i RNA. Badamy m.in. naprawę DNA u bakterii, mechanizmy działania odwrotnych transkryptaz i ligaz tRNA oraz replikację DNA w herpeswirusach. Wykorzystujemy mikroskopię krioelektronową, krystalografię białek i biochemię białek, aby wyjaśniać molekularne podstawy tych procesów i mechanizmów.” - prof. dr hab. Marcin Nowotny