Поддержать программу
ПостНаука на Дожде
13:18
31 июля
Наука

Деление ДНК: что для этого «придумали» клетки, и как молекулы стареют

Объясняет профессор факультета биомедицинской инженерии Бостонского университета
4 108
1
Расписание
Следующий выпуск
4 декабря 16:00
воскресенье: 02:00, 07:00, 16:00
понедельник: 02:00, 06:00
вторник: 11:00
четверг: 13:00

Как при репликации происходит разделение нитей ДНК? Какую роль в этом процессе играет ДНК-полимераза? Как в клетках решается проблема укорачивания ДНК? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук, профессор факультета биомедицинской инженерии Бостонского университета, приглашенный профессор Сколковского института науки и технологий Максим Франк-Каменецкий.

Больше лекций —  на сайте «ПостНауки»

Еще в знаменитой статье Уотсона и Крика, где они сообщали об открытии структуры ДНК, они указали — очень скромно и коротко, — что им понятно, что из самой структуры двойной спирали следует понимание того, как молекулы ДНК удваиваются. То есть основной, фундаментальный процесс, который мы приписываем живым организмам, — возможность давать потомство — заложен в самой структуре ДНК.

ДНК состоит из двух нитей, каждая имеет последовательность из четырех букв, и они комплементарны. То есть против A всегда стоит T и наоборот, а против G всегда стоит C и наоборот. Поэтому если эти две цепочки разъединить и на каждой из них по принципу комплементарности нарастить по комплементарной цепочке, то мы получим две молекулы, идентичные исходной. Это элементарный, тривиальный процесс удвоения — проще придумать невозможно. И это осуществляется в природе.

Таким образом, это было понятно с момента открытия двойной спирали. Но дальше возникли вопросы. Как же на самом деле в клетке происходит процесс удвоения? Как же клетка разделяет эти цепочки? На самом деле это очень непростой вопрос, потому что ДНК представляет собой двойную спираль, цепочки завиты друг относительно друга, и для того, чтобы их разъединить, их нужно расплести. А молекула очень длинная — как же это сделать? Кто это расплетает? Легко сказать: расплести руками. Где эти руки?

Вскоре после открытия двойной спирали было обнаружено, что нити сами могут разойтись. Но для этого нужно молекулу ДНК — раствор, в котором находится молекула ДНК, — очень сильно нагреть, до температуры близкой к 100 градусам. Если раствор ДНК нагреть, то цепочки сами расходятся. Им становится невыгодно образовывать комплементарные пары, а выгодней разойтись и образовать однонитевые полимерные клубки, которые более выгодны с точки зрения свободной энергии, чем двойная спираль.

Но в клетке нет повышенной температуры. Клетки живут при нормальной температуре, скажем, человеческого тела или в комнатной температуре, если это бактерии. Как же там происходит разделение цепочек? Этот вопрос оказался совсем непростым. Если принцип был ясен с самого начала, то, как это на самом деле происходит, долго оставалось неизвестным. Потребовались усилия большой армии ученых, чтобы в этом разобраться.

Оказалось, что это, как и почти все в клетке, делается при помощи белков, которые осуществляют необходимый процесс разделения нитей и синтез новых цепочек по принципу комплементарности. Один из таких кардинальных белков, который разделяет цепочки, называется геликаза. Это большой белок, который движется вдоль ДНК, потребляет энергию АТФ, такой молекулярный мотор, который движется и разделяет цепочки.

Он насильно их растаскивает, действительно, как руками. И на разведенных цепочках ДНК-полимераза синтезирует комплементарные цепи.

Процесс происходит весьма сложным образом. Геликаза разделяет цепочки — это замечательно, но возникает два вопроса. Первый вопрос состоит в том, что, как оказалось, ДНК-полимераза — это фермент, который не в состоянии начать синтез цепочки ДНК без затравки. Ему необходима затравка. По-английски это называется primer. ДНК разделились, имеется разделенная однонитевая цепочка, короткий праймер должен соединиться с ДНК, а дальше происходит его удлинение.

Возникает вопрос: откуда берутся эти праймеры? Это не могут быть цепочки ДНК, потому что ДНК не может синтезироваться без праймера. То есть сам праймер не может служить праймером для самого себя. Значит, праймером оказываются РНКовые короткие молекулы, потому что РНК-полимераза — фермент, который синтезирует РНК на ДНК, — способна синтезировать цепочку РНК без праймера. Поэтому специальная ДНК-полимераза, называющаяся праймаза, синтезирует короткие цепочки РНК, которые в дальнейшем служат праймером для ДНК-полимеразы.

Это решает проблему репликации однонитевых цепочек, которые при этом возникают, и все вроде бы замечательно. За исключением того, что, когда праймер удлинен и получилась длинная молекула, у него на конце сидит РНК, а не ДНК. Эта РНК расщепляется специальным ферментом, и возникает ситуация, что торчит хвост, имеется конец, который невозможно удлинить, потому что ДНК-полимераза может двигаться только в этом направлении. Она не может удлинять этот конец. В результате получается проблема, что при каждой репликации ДНК часть, соответствующая праймеру, — это может быть 20 нуклеотидов, 20 звеньев, может быть больше — теряется на конце. То есть конец укорачивается.

Как же клетки решают эту проблему? Оказалось, что клетки решают эту проблему совсем по-разному в случае низших организмов, бактерий, и в случае высших организмов. У низших организмов эта проблема решается так: раз есть проблема с концами, то давайте вообще избегать концов. Если ДНК кольцевая, то такой проблемы не возникает вообще — проблемы удлинения, синтеза на этом месте, потому что это будет уже в конце, и тогда этого легко избежать. Поэтому все бактериальные ДНК — кольцевые, потому что тогда не возникает проблемы с репликацией.

А как же у эукариотов, высших организмов? У них ДНК линейная, и так проблему не решить. Оказывается, существует очень интересный механизм. Я не назову его изящным, скорее, я назову изящным решение бактериальное. А решение высших организмов сложновато. Оно состоит в том, что на конце всех хромосомных ДНК находятся повторы, которые не имеют никакого генетического смысла. Смысл заключается только в том, что они служат буферами, они позволяют укорачиваться без всякого ущерба для генетической информации. И эти повторы на концах называются теломеры. Теломеры существуют абсолютно во всех хромосомах, во всех хромосомных ДНК, они очень длинные и укорачиваются в ходе деления клеток. Поэтому, когда мы стареем, у нас ДНК становится короче. Все наши ДНК всех хромосом становятся короче. Это факт, это было прямо доказано.

Хорошо, укорачиваются и укорачиваются, рано или поздно это приведет к тому, что будут такими короткими, что начнется уже генетическое уничтожение ДНК, повторы будут все исчерпаны, и начнется уничтожение нужных последовательностей. Как этот вопрос решается? Было сделано важнейшее открытие выдающимся ученым Элизабет Блэкмор, обнаружившей, что существует специальный фермент, который она назвала теломеразой и который служит для того, чтобы удлинять эти концы. Это делается очень хитрым способом: теломераза — это фермент, который несет вместе с собой цепочку РНК, и на этой РНК записана теломерная последовательность — та последовательность, которая должна повторяться много раз. И она связывается с получившимся концом, РНК связывается, и в эту сторону синтез не возможен, а в другую возможен. И этот синтез происходит на матрице РНК, принесенной теломеразой, — удлиняется конец ДНК. Он удлиняется еще и еще, и она сдвигается, и получается длинный хвост. И тогда легко с помощью праймеров синтезировать комплементарный хвост.

Так решается проблема концов. Оказывается, что у нас в клетках тело теломеразы не работает, и поэтому, когда мы стареем, у нас теломерные концы укорачиваются. А при образовании половых клеток теломераза работает и удлиняет концы. Значит, перед тем как клетки родителей — яйцеклетка и сперматозоид — соединяются, в этих половых клетках удлиняются теломерные концы, чтобы следующее поколение имело достаточно длинные теломеры, чтобы они укорачивались всю жизнь.

Фото: DepositPhoto