Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Подобные представления весьма распространены и кажутся вполне убедительными, но входят в противоречие с ошеломительными фактами: в то время как земной рельеф на самом деле, хоть и медленно, но неуклонно меняется – русла рек прокладывают новые долины, оползни уносят камни со склонов гор, – ДНК человека остается практически неизменной уже многие тысячи лет, за исключением мелких индивидуальных различий. А у некоторых бактерий ДНК остается неизменной вообще миллионы лет.
Так, ДНК бактерии Escherichia coli (кишечной палочки), часто используемой для генетических исследований, состоит из около 4,64 миллионов копий азотистого основания. Если рассматривать ДНК как книгу, в которой записаны все необходимые инструкции по организации жизни этой бактерии, то азотистые основания (или нуклеотиды) – это буквы, которыми книга написана. Генетический код на самом деле состоит из четырех «букв» – аденина, цитозина, гуанина и тимина, образующих две длиннющие переплетенные между собой цепи, напоминающие винтовую лестницу. Ступеньки этой винтовой лестницы образованы двумя нуклеотидами, по одному на цепь, связанными между собой особым образом: аденин (А) всегда соединяется с тимином (Т), а цитозин (С) с гуанином (G). Это значит, что если нить ДНК включает в себя последовательность ACATGGCCT, то зеркальная нить – TGTACCGGA.
С момента появления около 100 миллионов лет назад кишечная палочка делилась уже миллиарды раз и во всех этих превращениях ни разу не потеряла не только ни одной «строчки» генетического кода, но и, можно смело утверждать, умудрялась самостоятельно корректировать в своей «книге» всевозможные дефекты юности, чтобы адаптироваться к окружающему миру.
Вообразите, что вам нужно переписать от руки всю «Божественную комедию» (около четырех миллионов знаков) и передать вашу копию другу, который в свою очередь создаст собственную копию для собственного знакомого, и повторить это миллиард раз: как вы думаете, что получится в результате?
А к тому же вы должны переписывать свою рукопись, не сидя в дальнем уголке тихой библиотеки, а подвергаясь постоянным атакам, приставаниям, попыткам выдавить вас на обочину и вырвать у вас хоть парочку страниц: именно это происходит с ДНК во время взаимодействия с солнечным светом, радиацией и множеством химических веществ, стремящихся так или иначе навредить ей.
Очевидно, что должен существовать некий восстановительный механизм, защищающий размножение и корректирующий возможные ошибки.
Сегодня мы уже знаем, что на самом деле таких механизмов много: трое ученых, исследовавших эту тему – Томас Линдаль, Пол Модрич и Азиз Санкар – получили Нобелевскую премию по химии в 2017 году.
До начала 60-х годов в ученой среде считалось, что ДНК просто очень устойчивая молекула, которую особенно трудно повредить. На самом деле, это выглядело довольно странно, учитывая, что РНК, родственная ДНК молекула, предназначенная для считывания информации, хранящейся в ДНК, и переноса ее в рибосомы – клеточные органеллы, специализирующиеся на синтезе белков, – молекула нестабильная и легко повреждаемая.
Томас Линдаль был первым, кто показал, что ДНК тоже подвержена быстрому и прогрессирующему распаду и что существуют молекулярные механизмы ее починки.
Линдаль заметил, что одним из самых распространенных повреждений ДНК было изменение химической структуры одного из азотистых оснований. Подобное явление может быть крайне разрушительным, поскольку ведет к нарушению синтеза нескольких белков и способно лишить эти белки активности, тем самым нанося огромный вред всему организму. Достаточно одного нуклеотида не в том месте, и все функции белка полностью сбиваются, несмотря на то, что ошибка поражает только одну аминокислоту из сотен, составляющих белок.
В подобных случаях ДНК может починиться посредством механизма, получившего название эксцизионная репарация оснований (Base Excision Repair, BER), – некоторые ферменты способны идентифицировать дефектные азотистые основания, удалять их и заменять. Исследования Линдаля оказались столь точными, что ему удалось в 1996 году создать in vivo весь человеческий механизм BER. Это был поразительный результат.
Другой вариант повреждения ДНК – это воздействие на нее ультрафиолетовыми лучами (UV), наносящими разнообразные повреждения, вроде тех, что мы видели раньше. Страдает уже не химическая структура одного основания, но целый участок ДНК, он изменяется в основном путем образования связей, которых не должно быть, между соседними нуклеотидами тимина. В результате в структуре ДНК образуются грубые нарушения, которые приводят к серьезным сбоям в воспроизведении. Но и для этой ситуации наше тело разработало стратегию решения проблемы – механизм эксцизионной репарации нуклеотидов (Nucleotides Excission Repair, NER), обнаруженный Азизом Санкаром. Первыми вмешиваются ферменты под названием хеликаза, они служат для раскручивания спирали ДНК в нужном месте. Эндонуклеазы могут разрезать ДНК, позволяя изъять весь поврежденный кусок (он может содержать последовательность из 30 нуклеотидов). А фермент ДНК-полимераза синтезирует новый кусок цепи ДНК, вшиваемый на место ферментами-лигазами.
Хотя первые исследования были выполнены на бактериях, Санкар впоследствии сотрудничал с Линдалем, стремясь понять молекулярные основы механизма NER у людей – он оказался сложнее, чем у бактерий, однако логика у них практически одинаковая.
Это может показаться странным, но значительная часть исследований по репликации ДНК проводится на самом деле на бактериях, но получаемые результаты можно считать фундаментальными, поскольку разница между ними и более сложными человеческими клетками намного меньше, чем сходство. Честно говоря, вы были бы поражены, узнав, что значительная часть биохимических процессов у белков и ферментов, управляющих жизнью клетки бактерии, практически идентичны человеческим.
Следующим героем этого приключения стал Пол Модрич, первооткрыватель механизма репарации ошибочно спаренных нуклеотидов (Mismatch Repair), позволяющего исправить ошибки спаривания оснований, случающихся во время репликации. Если в предыдущих историях мы рассматривали ошибки, вызванные повреждениями ДНК, то теперь надо понять, как действовать, если аденин соединился с цитозином вместо положенного тимина. Если сравнивать снова с книгой – это как если бы раньше мы искали злодея, который пытался испортить наш труд, поджигая или разрывая страницы, а теперь нам нужно исправить ошибки написания – вместо «о», например, «а».
В конце 70-х годов прошлого века Модрич изучал особенный фермент, называющийся Dam-метилаза, который, как казалось, отвечал за метилирование отдельных участков ДНК. Добавление
