РНК служить матрицею для виправлення пошкоджень в ДНК • олександр марков • новини науки на

Два основних способи «лагодження» розривів подвійної спіралі ДНК. Перший спосіб (негомологічних з'єднання кінців) загрожує неточностями - втратою або вставкою зайвих нуклеотидів в районі розриву. Другий більш точний, але вимагає наявності «запасний копії» пошкодженого фрагмента ДНК. Як з'ясувалося, ця запасна копія не обов'язково повинна бути двухцепочечной ДНК (зелена подвійна спіраль на малюнку): годиться і одноцепочечная ДНК, і навіть РНК. Зображення з сайту people.bath.ac.uk

Виявлено черговий «неканонічний» механізм обробки спадкової інформації - лагодження пошкоджених молекул ДНК з використанням РНК-матриць. Контроль здійснюється шляхом зворотної транскрипції - переписуванні спадкової інформації з РНК на ДНК. Ще недавно зворотна транскрипція вважалася явищем рідкісним, поширеним переважно в світі вірусів і не надають істотного впливу на еволюцію життя. Розкриття все нових областей застосування зворотної транскрипції в житті клітини може привести до перегляду цих класичних поглядів.

Відкриття нових «нестандартних» механізмів обробки генетичної інформації останнім часом йдуть одне за іншим. Звичайно, «нестандартними» вони є лише з нашої суб'єктивної точки зору. Великі відкриття 50-60-х років XX століття, такі як розшифровка структури ДНК і генетичного коду, справили таке сильне враження на наукове співтовариство, що наспіх оформилися навколо цих відкриттів теорії відразу ж стали «класичними» без будь-якої перевірки часом. Що ж, зате з тих пір молекулярні біологи не можуть поскаржитися на брак сенсаційності в своїх подальших відкриттях.

Більшість виявлених в останні роки молекулярних механізмів обробки спадкової інформації пов'язані з невідомими раніше функціями молекул РНК (див. Посилання внизу). Спочатку вважалося, що РНК - не більше ніж посередник між молекулами ДНК, в яких закодована спадкова інформація, і білками, в структурі яких ця інформація реалізується. Потік інформації в клітці покладався суворо односпрямованим: ДНК → РНК → білок (цю тезу був названий «центральної догмою молекулярної біології»). Така односпрямованість унеможливлює успадкування набутих ознак. Однак вже до кінця 60-х - початку 70-х років «догму» довелося переглядати і розширювати. Відкриття зворотної транскрипції (djvu, 190 Кб) - переписування інформації з РНК на ДНК - показало, що шляхи передачі генетичної інформації різноманітніші. Це відкрило широкий простір для гіпотез в руслі «молекулярного ламаркизма» (див. Посилання внизу).

На зворотної транскрипції засновано розмноження ретровірусів і ретротранспозонов, утворення так званих ретропсевдогенов і добудова кінчиків хромосом (теломер), коротшають при кожному клітинному розподілі.

Вчені з Національного інституту екології здоров'я (National Institute of Environmental Health Sciences. США) зуміли показати, що репарація можлива і безпосередньо на основі РНК-матриць, без попереднього виготовлення ДНК-матриці і без участі специфічних ферментів - зворотних транскриптаз, кодованих ретротранспозонов.

Дослідники штучно викликали у дріжджів розрив хромосоми в одному і тому ж строго визначеному місці (всередині гена LEU2). Потім в клітини додавали штучно синтезовані короткі молекули РНК, послідовності нуклеотидів в яких відповідали ділянкам пошкодженій хромосоми по краях розриву. Виявилося, що ця процедура підвищує ймовірність успішної «лагодження» розірваної хромосоми в 500 разів. Крім того, дріжджові клітини, в які вводили РНК, проводили ремонт пошкодженої хромосоми з високою точністю, тоді як контрольні клітини, в які РНК не вводилася, робили це з помилками - невеликими зайвими вставками або пропусками. Це означає, що в контрольних клітинах використовувався менш точний механізм репарації - негомологічних з'єднання кінців (див. Рис.).

Якщо в середину молекули РНК, що служить матрицею для репарації, ввести кілька зайвих нуклеотидів, вони потім виявляються в «залатані» хромосомі якраз між зшитими краями розриву. Це свідчить про синтез ДНК на матриці РНК, тобто про зворотної транскрипції.

Дослідники вирішили з'ясувати, які ферменти здійснюють зворотну транскрипцію в ході репарації. Взагалі, існує 4 класу ферментів, які здійснюють матричний синтез нуклеїнових кислот:

ДНК-залежні ДНК-полімерази (здійснюють реплікацію - подвоєння - молекул ДНК; в «нормі» саме ці ферменти працюють в ході лагодження подвійних розривів ДНК);
РНК-залежні ДНК-полімерази, або зворотні транскриптази (синтезують ДНК на матриці РНК);
ДНК-залежні РНК-полімерази (синтезують РНК на матриці ДНК, відповідають за «зчитування» генів - транскрипцію);
РНК-залежні РНК-полімерази (розмножують молекули РНК; можливо, є найдавнішими з ферментів взагалі).

В даному випадку підозра, природно, в першу чергу падало на ферменти другої групи. Однак ця підозра не підтвердилась. Дослідники відключили у дріжджів все гени зворотних транскриптаз (і ті, що забезпечують переміщення ретротранспозонов, і ті, що добудовують кінчики хромосом). Це не вплинуло на ефективність, з якою РНК-матриці сприяють успішній репарації розірваних хромосом.

Це дозволило дослідникам припустити, що в даному випадку зворотна транскрипція невеликих фрагментів РНК здійснюється не спеціалізованими зворотної транскриптази, а самими звичайними ДНК-залежними ДНК-полімерази (ферментами першої групи). Це підтверджувалося також і тим, що, якщо замість РНК-овой матриці використовувати таку ж ДНК-овую або змішану, що складається зі шматочків ДНК і РНК, то ефективність репарації зростала на кілька порядків. Експерименти in vitro (у пробірці, поза живих клітин) показали, що деякі ДНК-залежні ДНК-полімерази дріжджів, особливо Pol δ і Pol α, дійсно здатні, хоч і з труднощами, синтезувати невеликі ділянки ДНК на РНК-матрицях, тобто функціонувати як малоефективних зворотних транскриптаз.

Дослідники відзначають, що їх результати говорять про відсутність принципових перешкод для переписування інформації з РНК в ДНК в живих клітинах і що це може мати велике значення для еволюції.

«Елементи» уже розповідали про недавні відкриття, говорять про функціональне і структурному схожості РНК-полімерази з 3-й і 4-ї груп. Тепер ми можемо говорити про функціональної близькості також і ферментів з 1-й і 2-ї груп. Ниточку від групи 3 до групи 1 теж можна протягнути: реплікація ДНК завжди починається з синтезу РНК-запалів (RNA primers. Подробиці див. Тут). Може бути, в кінцевому рахунку все 4 групи НК-полімерази походять від єдиного загального кореня.