Исследование, опубликованное 1 августа 2016 года в журнале Nature Structural and Molecular Biology, подчеркивает динамическую природу двойной спирали ДНК, которая играет центральную роль в поддержании стабильности генома и предотвращении таких заболеваний, как рак и старение. Это открытие, вероятно, изменит освещение в учебниках разницы между двумя поставщиками генетической информации, ДНК и РНК.
«В этих простых красивых структурах, совершенно новых слоях или измерениях заложена удивительная сложность, которую мы не видели, потому что до сих пор у нас не было инструментов, чтобы их увидеть», — сказал Хашим М. Аль-Хашими, доктор философии. D., старший автор исследования и профессор биохимии Медицинской школы Университета Дьюка.Знаменитая двойная спираль ДНК часто изображается в виде винтовой лестницы с двумя длинными нитями, скрученными друг с другом, и ступенями, состоящими из четырех химических строительных блоков, называемых основаниями.
Каждое из этих оснований содержит кольца углерода, а также различные конфигурации азота, кислорода и водорода. Расположение этих атомов позволяет G соединяться с C, а A соединяться с T, как сцепляющиеся шестерни в элегантной машине.Когда Уотсон и Крик опубликовали свою модель двойной спирали ДНК в 1953 году, они точно предсказали, как эти пары будут соответствовать друг другу. Однако другие исследователи изо всех сил пытались предоставить доказательства существования этих так называемых пар оснований Уотсона-Крика.
Затем в 1959 году биохимик по имени Карст Хугстин сделал снимок пары оснований A-T, имеющей слегка искаженную геометрию, при этом одно основание повернуто на 180 градусов относительно другого. С тех пор пары оснований Уотсона-Крика и Хугстина наблюдались на неподвижных изображениях ДНК.
Пять лет назад Аль-Хашими и его команда показали, что пары оснований постоянно изменяются между конфигурациями Уотсона-Крика и Хугстина в двойной спирали ДНК. Аль-Хашими говорит, что пары оснований Хугстина обычно появляются, когда ДНК связывается белком или повреждается химическим воздействием. ДНК возвращается к своему более простому спариванию, когда она высвобождается из белка или восстанавливает повреждение своих оснований.«ДНК, кажется, использует эти пары оснований Хугстина, чтобы добавить еще одно измерение к своей структуре, трансформируясь в разные формы для достижения дополнительных функций внутри клетки», — сказал Аль-Хашими.
Аль-Хашими и его команда хотели знать, может ли такое же явление происходить, когда РНК, посредник между ДНК и белками, образует двойную спираль. Поскольку эти сдвиги в спаривании оснований связаны с движением молекул на атомном уровне, их трудно обнаружить обычными методами. Поэтому аспирант Аль-Хашими Хуйцин Чжоу использовал сложную технику визуализации, известную как дисперсия релаксации ЯМР, чтобы визуализировать эти крошечные изменения. Сначала она сконструировала две модели двойных спиралей — одну из ДНК, а другую из РНК.
Затем она использовала технику ЯМР, чтобы отследить переворачивание отдельных оснований G и A, составляющих спиралевидные ступени, объединяясь в пары в соответствии с правилами Уотсона-Крика или Хугстина.Предыдущие исследования показали, что в любой момент времени один процент оснований двойной спирали ДНК трансформировался в пары оснований Хугстина. Но когда Чжоу посмотрела на соответствующую двойную спираль РНК, она не обнаружила абсолютно никакого обнаруживаемого движения; все пары оснований были заморожены на месте, застряв в конфигурации Уотсона-Крика.Исследователи задавались вопросом, была ли их модель РНК необычным исключением или аномалией, поэтому они разработали широкий спектр молекул РНК и протестировали их в самых разных условиях, но все равно ни одна из них не исказилась в конфигурации Хугстина.
Они были обеспокоены тем, что РНК на самом деле могла образовывать пары оснований Хугстина, но что они происходили так быстро, что они не могли уловить их на месте. Чжоу добавил химическое вещество, известное как метильная группа, в определенное место на основаниях, чтобы заблокировать спаривание оснований Уотсона-Крика, так что РНК будет захвачена в конфигурации Хугстина.
Она была удивлена, обнаружив, что вместо того, чтобы соединяться через пары оснований Хугстина, две цепи РНК расходились рядом с местом повреждения.«В ДНК эта модификация представляет собой форму повреждения, и она может быть легко поглощена путем переворота основания и образования пары оснований Хугстина.
Напротив, такая же модификация серьезно нарушает двойную спиральную структуру РНК», — сказал Чжоу, руководитель группы. автор исследования.Команда считает, что РНК не образует пары оснований Хугстина, потому что ее двойная спиральная структура (известная как A-форма) более сжатая, чем структура ДНК (B-форма).
В результате РНК не может перевернуть одно основание, не задевая другое или не двигаясь вокруг атомов, что могло бы разорвать спираль.«Для чего-то столь же фундаментального, как двойная спираль, удивительно, что мы открываем эти основные свойства так поздно в игре», — сказал Аль-Хашими. «Нам нужно продолжать увеличивать масштаб, чтобы получить более глубокое понимание этих основных молекул жизни».