Они работают, распознавая форму правильных комбинаций пар оснований и отбрасывая те — например, G и T — которые не подходят друг другу правильно. Тем не менее, примерно на каждые 10 000–100 000 копируемых оснований эти машины совершают ошибку, поскольку, если их не исправить, они будут увековечены в геноме как мутация.
На протяжении десятилетий исследователи задавались вопросом, как совершаются эти, казалось бы, случайные ошибки. Некоторые предположили, что основания ДНК могут изменять форму, временно переходя в альтернативные состояния, чтобы обмануть механизм репликации и включить неправильные пары оснований в ДНК.
Но никто никогда не видел этих крохотных оборотней в действии.Теперь исследователи из Университета Дьюка стали свидетелями малейших изменений в основаниях ДНК — смещения одного атома из одного места в другое или просто полного избавления от него — чтобы временно имитировать форму другого основания. Эти «квантовые дрожания» чрезвычайно редки и возникают только на тысячную долю секунды, но имеют далеко идущие последствия.
Исследование, опубликованное 12 марта в журнале Nature, указывает на то, что эти колебания появляются примерно с той же частотой, что и механизмы копирования ДНК, которые делают ошибки, которые могут сделать их основой случайных генетических изменений, которые движут эволюцией и такими заболеваниями, как рак.«Структура ДНК по своей природе приспособлена для того, чтобы допускать ошибки», — сказал Хашим М. Аль-Хашими, доктор философии, профессор биохимии Медицинской школы Университета Дьюка. «Эти ошибки критичны, потому что, если бы мы никогда их не совершали, у нас никогда не было бы жизни, какой мы ее знаем, потому что мы никогда не будем развиваться. Но если бы у нас было слишком много ошибок, наши гены вышли бы из-под контроля, и мы бы не выжили.
Эти квантовые колебания, кажется, настраивают частоту этих спонтанных мутаций на нужный уровень ».Элегантный дизайн ДНК состоит из двух длинных нитей, скрученных друг вокруг друга, как винтовая лестница, со ступенями, состоящими из четырех химических веществ, 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 взаимосвязанные части мозаики.
Когда ДНК копируется, репликационная машина старается включить только идеальное соответствие — известное как пары оснований Уотсона и Крика — и отвергает любые несоответствия.Вскоре после того, как они обнаружили двойную спираль в 1953 году, Уотсон и Крик предсказали, что четыре основания могут изменять свою форму, так что эти несоответствия могут восприниматься как настоящие. Изображения неправильных пар, позирующих в том, что, казалось, было геометрией Уотсона-Крика, были получены за последние 10 лет и подтвердили эту идею.
Но точная природа этих неправильных пар и факторы, определяющие их частоту, остаются неуловимыми.Поскольку изменение формы ДНК включает в себя движения на атомном уровне в более крупных молекулах, это было невозможно обнаружить обычными методами.
Поэтому команда Аль-Хашими решила использовать сложную технику, называемую ЯМР релаксационной дисперсией, которую он сравнивает с «МРТ на стероидах», чтобы визуализировать эти мимолетные, почти невидимые изменения.Исаак Дж. Кимси, аспирант лаборатории, сконструировал модельную цепь двойной спирали ДНК, которая содержала неправильную пару G-T.
Затем он использовал технику ЯМР для отслеживания миграции атомов водорода между атомами азота и кислорода оснований G и T. Обычно G не очень хорошо сочетается с T, потому что у них обоих есть атомы водорода, выступающие из их поверхностей, которые сталкиваются друг с другом.Уотсон и Крик изначально выдвинули гипотезу, что основания могут вытеснять водород с пути, чтобы обеспечить несовпадение соединений.
С помощью метода ЯМР Кимси предоставил первое прямое доказательство именно такой атомной перегруппировки в дуплексе ДНК. Он также показал, что подобное явление происходит в РНК, химическом родственнике ДНК.
Это крошечное движение, или «квантовый джиттер», требует такого огромного количества энергии, что базы успешно совершают подвиг только один раз из каждых 10 000 попыток. Даже в этом случае они могут сохранять свою новую форму только в течение очень короткого периода времени — от 50 до 200 микросекунд — прежде чем атомы водорода вернутся в исходное положение.Исследователи оглянулись на предыдущие биологические исследования и обнаружили, что эти редкие альтернативные состояния появлялись в ДНК примерно так же часто, как и ошибки копирования полимеразного аппарата.
«Это замечательное исследование, которое освещает фундаментальный механизм, ответственный за случайные мутации, которые приводят к эволюции и способствуют развитию рака», — сказал Берт Фогельштейн, доктор медицины, исследователь рака из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса, который не принимал участия в этом исследовании.Кимси сказал, что лучшее понимание того, как возникает эта дрожь, может помочь в разработке новых методов лечения раковых клеток и вирусов, например, заставляя их мутировать быстрее, чтобы они в конечном итоге перестали функционировать.«Мы знаем, что определенные канцерогены, такие как 5-бромуридин, могут вызывать более частое возбуждение, — сказал Кимси, ведущий автор исследования. столько ошибок, что они бесконтрольно видоизменяются и в конечном итоге умирают ».