Кубанский государственный технологический университет

РНК служит матрицей для исправления повреждений в ДНК

25-06-2012
Два основных способа «починки» разрывов двойной спирали ДНК. Первый способ (негомологичное соединение концов) чреват неточностями — потерей или вставкой лишних нуклеотидов в районе разрыва. Второй более точен, но требует наличия «запасной копии» поврежденного фрагмента ДНК. Как выяснилось, эта запасная копия не обязательно должна быть двухцепочечной ДНК (зеленая двойная спираль на рисунке): годится и одноцепочечная ДНК, и даже РНК. Изображение с сайта people.bath.

ac.uk

Обнаружен очередной «неканонический» механизм обработки наследственной информации — починка поврежденных молекул ДНК с использованием РНК-матриц. Процесс основан на обратной транскрипции — переписывании наследственной информации с РНК на ДНК. Еще недавно обратная транскрипция считалась явлением редким, распространенным преимущественно в мире вирусов и не оказывающим существенного влияния на эволюцию жизни. Раскрытие всё новых областей применения обратной транскрипции в жизни клетки может привести к пересмотру этих классических взглядов.

Открытия новых «нестандартных» механизмов обработки генетической информации в последнее время следуют одно за другим. Конечно, «нестандартными» они являются лишь с нашей субъективной точки зрения. Великие открытия 50–60-х годов XX века, такие как расшифровка структуры ДНК и генетического кода, произвели столь сильное впечатление на научное сообщество, что наспех оформившиеся вокруг этих открытий теории сразу же стали «классическими» без всякой проверки временем. Что ж, зато с тех пор молекулярные биологи не могут пожаловаться на недостаток сенсационности в своих последующих открытиях.

Большинство обнаруженных в последние годы молекулярных механизмов обработки наследственной информации связаны с неизвестными ранее функциями молекул РНК (см. ссылки внизу). Поначалу считалось, что РНК — не более чем посредник между молекулами ДНК, в которых закодирована наследственная информация, и белками, в структуре которых эта информация реализуется. Поток информации в клетке полагался строго однонаправленным: ДНК → РНК → белок (этот тезис был назван «центральной догмой молекулярной биологии»). Такая однонаправленность делает невозможным наследование приобретенных признаков. Однако уже к концу 60-х — началу 70-х годов «догму» пришлось пересматривать и расширять. Открытие обратной транскрипции (djvu, 190 Кб) — переписывания информации с РНК на ДНК — показало, что пути передачи генетической информации более разнообразны. Это открыло широкий простор для гипотез в русле «молекулярного ламаркизма» (см. ссылки внизу).

На обратной транскрипции основано размножение ретровирусов и ретротранспозонов, образование так называемых ретропсевдогенов и достройка кончиков хромосом (теломер), укорачивающихся при каждом клеточном делении.

В статье, опубликованной в последнем номере журнала Nature, описан очередной «неканонический» механизм обработки наследственной информации, основанный на обратной транскрипции. Оказалось, что в ходе репарации — починки повреждений в молекулах ДНК — роль матриц, информация с которых переписывается в геномную ДНК взамен утерянной, могут играть молекулы РНК.

Если молекула ДНК повреждена — например, подверглась разрыву (double-strand break, DSB) — для ее починки необходима матрица, в которой последовательность нуклеотидов соответствует исходному, «правильному» состоянию поврежденного участка (см.: Разгадана тайна микроба, не боящегося радиации, «Элементы», 03.10.2006). Ранее считалось, что в качестве таких матриц всегда используются другие молекулы ДНК. Позже было установлено, что иногда эти ДНК-матрицы синтезируются путем обратной транскрипции на основе РНК при участии ретротранспозонов.

Ученые из Национального института экологии здоровья (National Institute of Environmental Health Sciences, США) сумели показать, что репарация возможна и непосредственно на основе РНК-матриц, без предварительного изготовления ДНК-матрицы и без участия специфических ферментов — обратных транскриптаз, кодируемых ретротранспозонами.

Исследователи искусственно вызывали у дрожжей разрыв хромосомы в одном и том же строго определенном месте (внутри гена LEU2). Затем в клетки добавляли искусственно синтезированные короткие молекулы РНК, последовательности нуклеотидов в которых соответствовали участкам поврежденной хромосомы по краям разрыва. Оказалось, что эта процедура повышает вероятность успешной «починки» разорванной хромосомы в 500 раз. Кроме того, дрожжевые клетки, в которые вводили РНК, производили ремонт поврежденной хромосомы с высокой точностью, тогда как контрольные клетки, в которые РНК не вводилась, делали это с ошибками — небольшими лишними вставками или пропусками. Это значит, что в контрольных клетках использовался менее точный механизм репарации — негомологичное соединение концов (см. рис.).

Если в середину молекулы РНК, служащей матрицей для репарации, ввести несколько лишних нуклеотидов, они потом обнаруживаются в «починенной» хромосоме как раз между сшитыми краями разрыва. Это свидетельствует о синтезе ДНК на матрице РНК, то есть об обратной транскрипции.

Исследователи решили выяснить, какие ферменты осуществляют обратную транскрипцию в ходе репарации. Вообще, существует 4 класса ферментов, осуществляющих матричный синтез нуклеиновых кислот:

ДНК-зависимые ДНК-полимеразы (осуществляют репликацию — удвоение — молекул ДНК; в «норме» именно эти ферменты работают в ходе починки двойных разрывов ДНК); РНК-зависимые ДНК-полимеразы, или обратные транскриптазы (синтезируют ДНК на матрице РНК); ДНК-зависимые РНК-полимеразы (синтезируют РНК на матрице ДНК, отвечают за «считывание» генов — транскрипцию); РНК-зависимые РНК-полимеразы (размножают молекулы РНК; возможно, являются древнейшими из ферментов вообще).

В данном случае подозрение, естественно, в первую очередь падало на ферменты второй группы. Однако это подозрение не подтвердилось. Исследователи отключили у дрожжей все гены обратных транскриптаз (и те, что обеспечивают перемещения ретротранспозонов, и те, что достраивают кончики хромосом). Это не повлияло на эффективность, с которой РНК-матрицы способствуют успешной репарации разорванных хромосом.

Это позволило исследователям предположить, что в данном случае обратная транскрипция небольших фрагментов РНК осуществляется не специализированными обратными транскриптазами, а самыми обычными ДНК-зависимыми ДНК-полимеразами (ферментами первой группы). Это подтверждалось также и тем, что, если вместо РНК-овой матрицы использовать такую же ДНК-овую или смешанную, состоящую из кусочков ДНК и РНК, то эффективность репарации возрастала на несколько порядков. Эксперименты in vitro (в пробирке, вне живых клеток) показали, что некоторые ДНК-зависимые ДНК-полимеразы дрожжей, особенно Pol δ и Pol α, действительно способны, хоть и с трудом, синтезировать небольшие участки ДНК на РНК-матрицах, то есть функционировать в качестве малоэффективных обратных транскриптаз.

Исследователи отмечают, что их результаты говорят об отсутствии принципиальных преград для переписывания информации из РНК в ДНК в живых клетках и что это может иметь большое значение для эволюции.

«Элементы» уже рассказывали о недавних открытиях, говорящих о функциональном и структурном сходстве РНК-полимераз из 3-й и 4-й групп. Теперь мы можем говорить о функциональной близости также и ферментов из 1-й и 2-й групп. Ниточку от группы 3 к группе 1 тоже можно протянуть: репликация ДНК всегда начинается с синтеза РНК-затравок (RNA primers, подробности см. здесь). Может быть, в конечном счете все 4 группы НК-полимераз происходят от единого общего корня.

Источник: Francesca Storici, Katarzyna Bebenek, Thomas A. Kunkel, Dmitry A. Gordenin, Michael A. Resnick. RNA-templated DNA repair // Nature. 2007. V. 447. P. 338–341.

О новых механизмах обработки генетической информации, связанных с неизвестными ранее функциями РНК: 1) Сравнение геномов человека и мыши помогло обнаружить новый способ регуляции работы генов, «Элементы», 21.04.2007. 2) У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007. 3) МикроРНК тоже подвергаются редактированию, «Элементы», 26.12.2005. 4) Клетки хранят запас РНК на черный день, «Элементы», 25.10.2005. 5) МикроРНК сдерживают смерть клетки, «Элементы», 04.07.2005. 6) Сложные РНК-переключатели — новый механизм регуляции генов, «Элементы», 18.10.2006. 7) Открыт новый механизм регуляции работы генов у бактерий, «Элементы», 12.12.2006. 8) Найден самый древний из ферментов, «Элементы», 11.12.2006. 9) Наследственная информация записана не только в ДНК, «Элементы», 01.06.2006. 10) Рибозимы — катализаторы древнего мира, «Элементы», 08.08.2005.

О «молекулярном ламаркизме»: 1) Наследование приобретенных признаков. 2) Ю. В. Чайковский. Что такое молекулярный ламаркизм. 3) Л. А. Животовский. Наследование приобретенных признаков: Ламарке был прав (Pdf, 270 Кб). 4) А. В. Марков. От Ламарка к Дарвину... и обратно к Ламарку?.

Александр Марков

‹‹  На сегодняшний день ни одна средняя или крупная компания не может обойтись без бухгалтера. Если вам нужны профессиональные , добро пожаловать к нам на сайт. Здесь вы найдете всю необходимую для себя информацию.