04.06.2013

Как клетка предотвращает запутывание ДНК во время репликации

Чтобы расплетённые перед репликацией одиночные цепи ДНК не сложились в прочные 4-нитевые структуры, клетка использует единственный специальный белок, способный распутывать такие затейливые спирали.

Во время репликации ДНК клетке приходится решать одну специфическую проблему, которая, если её забросить, может испортить жизнь как клетке, так и всему организму. Как известно, ДНК представляет собой двойную спираль, и когда с ДНК нужно снять копию, специальные ферменты расплетают спираль, отделяя одну нить от другой. На этих нитях, как на шаблонах, синтезируется по копии, которая соединяется с нитью-шаблоном комплементарными связями между нуклеотидами и образует новую двойную спираль.

Однако какое-то время после расплетения цепи ДНК остаются свободными, и в этот момент они образуют разнообразные вторичные структуры — из-за того, что нуклеотиды внутри самой цепи находят себе комплементарных партнёров. Некоторые из таких структур — G-квадруплексы — весьма сложны и прочны; они обогащены гуанином и формируют блоки из двух, трёх и четырёх цепей. Проблема же в том, что ДНК-полимераза, которая синтезирует дочернюю цепь, не может сама расплести такой квадруплекс в материнской цепи. В этом случае такой кусок просто выпадает из ДНК — в следующей копии его уже не будет. (Есть, конечно, так называемые SSB-белки, которые удерживают одноцепочечную ДНК от обратного спаривания, но для предотвращения G-квадруплексов их, видимо, недостаточно.)

Чем это грозит, можно понять, если представить, что этот квадруплекс задевал жизненно важный ген или регуляторную последовательность. Некоторые мутации, которые приводят к раку, сопровождаются появлением таких непреодолимых квадруплексов во время репликации. В 2012-м Кэтрин Пешке из Принстонского университета (США) и её коллеги обнаружили, что одна из таких мутаций касается белка под названием Pif1.

Ну а в нынешнем году исследователи, воспользовавшись журналом Nature, полноценно описали этот белок. Оказалось, что белки группы Pif есть у всех организмов, включая бактерии и дрожжи. Pif1 относится к более обширному семейству ферментов-хеликаз, чья работа — расплетать нуклеиновые кислоты. Но Pif’ы делают то, что не под силу ни одной другой хеликазе: они распутывают как раз те самые G-квадруплексы. Эту замечательную способность Pif исследователи наблюдали как in vitro, так и in vivo, в живых клетках. G-квадруплексы влияют на стабильность хромосом, и при отсутствии в клетках работающего Pif в хромосомах начинались неполадки.

Учёные отмечают, что ферменты Pif, взятые у человека или бактерии и пересаженные дрожжам, прекрасно справлялись со своей работой в чужой для них клетке. То есть механизм, созданный для борьбы с G-квадруплексами, оказался довольно древним и консервативным. А это значит, что его вполне можно изучать на тех же дрожжах, и полученные результаты будут легко адаптироваться к человеческим клеткам (конечно, до известной степени легко — разницу между одноклеточными грибами и человеком ещё никто не отменял).

G-квадруплексы вовлечены не только в появление «ракообразующих» мутаций. Известно, что много таких структур образуется в хвостовых участках хромосом — теломерах. От длины теломер, как все помнят, зависит продолжительность жизни клетки, и, если здесь будет получаться много запутанных в квадруплексы участков, это может довольно сильно укоротить клеточную жизнь. Так что, возможно, с помощью хеликаз Pif человеку удастся хотя бы слегка удлинить свой, так сказать, земной век.

Исследователи отмечают ещё один странный эффект, связанный с отсутствием работающих Pif: в местах образования нерасплетённых квадруплексов появлялись эпигенетические модификации, приводящие к плотной упаковке ДНК и архивированию близлежащих генов. То есть здесь как бы смыкались генетический и эпигенетический уровни регуляции генетической активности. Возможно, что сам Pif как-то участвует ещё и в эпигенетических модификациях гистонов, от которых зависит упаковка ДНК, но пока что это лишь предположение.

Кирилл Стасевич

Источники:

1. compulenta.computerra.ru