Объяснен механизм копирования сбойных блоков в ДНК

Четверть века прошла со времени обнаружения DinB — белка, который появляется в клетках, подвергшихся воздействию препаратов, повреждающих ДНК, но только сейчас микробиологи выяснили, как именно этот фермент помогает обходить повреждения в генетическом коде.

В 1980 году Синтия Кеньон (Cynthia Kenyon) систематически исследовала, какие гены начинают работать в клетке, если подвергнуть ее агрессивному химическому воздействию, повреждающему молекулы ДНК. Такие гены и соответствующие им белки она называла «damage-inducible», то есть «индуцируемые повреждениями» или, сокращенно, Din. Второй по счету из обнаруженных Din-генов получил обозначение DinB.

Модель, объясняющая, почему ДНК-полимераза, закодированная геном DinB, лучше справляется с копированием поврежденных участков ДНК, чем неповрежденных. (А) DinB копирует неповрежденную ДНК. Полимераза DinB (в правом нижнем углу) катализирует добавление нуклеотида C (зеленый) к растущей ветви ДНК напротив неповрежденного нуклеотида G (желтый) в цепочке ДНК, которая служит матрицей. (B) DinB копирует поврежденную ДНК. Химическая группа, повредившая нуклеотид G в цепочке-матрице, взаимодействует со специальной группой DinB (красная), изменяя форму полимеразы и заставляя ее быстрее добавлять нуклеотид C к растущей цепочке ДНК (рис. с сайта www.hhmi.org)

Попытка отключить данный ген не привела к видимым эффектам, на чем его исследование тогда и остановилось. Впоследствии стало ясно, что данный ген кодирует одну из специализированных ДНК-полимераз — молекул, которые участвуют в процессе копирования (репликации) ДНК и могут обходить повреждения генетического кода. Но только теперь, спустя 25 лет после обнаружения, группа микробиологов под руководством профессора Грэма Уокера (Graham Walker) из Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) и Массачусетского технологического института (MTI) полностью разобралась в функциях загадочного белка и выяснила, что он специализируется на починке строго определенного вида повреждений ДНК.

Каждая из двух спиральных ветвей молекулы ДНК состоит из последовательности нуклеотидов четырех видов, обозначаемых буквами A, C, G и T. Нуклеотиды двух ветвей попарно соответствуют друг другу: напротив A всегда стоит T, а напротив C — G. Эта дополнительность позволяет восстановить всю двойную спираль по одной ее ветви. Именно на этом свойстве основан процесс репликации ДНК, при котором двойная спираль расплетается, а затем для каждой из двух ветвей строится (при участии ДНК-полимеразы) новая парная ветвь.

Однако всё это выглядит так красиво лишь в теории. На практике ДНК в клетке подвергается воздействию огромного количества различных веществ, и некоторые из них могут вызывать повреждения, присоединяясь к отдельным нуклеотидам в цепочке. Обычная ДНК-полимераза в этом месте дает сбой, и если бы не было способа обходить повреждения, жизнь на Земле вряд ли смогла бы просуществовать миллиарды лет. Рано или поздно в каждой клетке случилось бы непоправимое нарушение, она перестала бы делиться и умерла.

К счастью, механизм обхода повреждений существует. ДНК-полимераза DinB, например, специализируется на репликации молекул ДНК с поврежденными нуклеотидами G. Восстановить повреждения эта молекула, правда, не может, но она «догадывается», несмотря на искажения молекулярной структуры, в каких позициях находился данный нуклеотид и ставит напротив парный для него нуклеотид C.

Эксперименты, проведенные в лаборатории Грэма Уокера, показали, что ДНК-полимераза DinB в 10-15 раз быстрее подбирает пару к поврежденному нуклеотиду G, чем к неповрежденному. Правда, если повреждение ДНК слишком обширное и затрагивает сразу много нуклеотидов, DinB может не справиться с работой — все-таки это лишь механизм обхода отдельных сбоев, причем не восстанавливающий исходные повреждения. Тем не менее DinB является жизненно важным геном: бактерии, в которых он был заблокирован, в 1000 раз чаще погибали под воздействием химических препаратов, повреждающих ДНК.

Важность этого белка подтверждается также и тем, что кодирующий его ген относится к числу древнейших: он есть практически у всех живых организмов — от примитивных одноклеточных архебактерий до млекопитающих. В пресс-релизе HHMI также отмечается, что достаточно изменить в молекуле DinB всего одну аминокислоту, чтобы она утратила свою восстановительную способность и стала, подобно обычной полимеразе, спотыкаться на каждом сбое.

Похожие статьи: