Теперь не только двойная спираль: учёные открыли "узловатую" ДНК в живых клетках

Художественное представление i-мотивов. Из-за переходного характера учёным до сих пор их не удавалось отследить такие "узловатые" фрагменты ДНК.
Иллюстрация Chris Hammang.

Говоря о ДНК, человек сразу же представляет себе характерную двойную спираль. "Распутывание" генетического кода началось с момента её открытия в 1953 году, когда молекулярные биологи и биофизики Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик впервые описали структуру молекул ДНК и некоторые генетические механизмы.

С тех пор наука продвинулась далеко вперёд: учёные узнали и продолжают узнавать намного больше информации о ДНК и других молекулах, отвечающих за хранение, передачу и реализацию генетического материала.

И настоящим прорывом в этой области может стать открытие австралийских учёных. Команда из Института медицинских исследований Гарвана выявила новую структуру ДНК под названием i-мотив (i-motif) в живых клетках.

Поясним, что в контексте молекулярной биологии термин "мотив" обозначает относительно короткую последовательность нуклеотидов или аминокислот, слабо меняющуюся в процессе эволюции и предположительно имеющую определённую биологическую функцию.

По данным исследователей, i-мотив представляет собой фрагмент ДНК, который по форме больше всего напоминает скрученный узел. Авторы отмечают, что ещё никто и никогда не видел ничего подобного непосредственно внутри живых клеток. Ранее такие фрагменты наблюдались лишь в лабораторных образцах (in vitro, то есть в искусственно созданных условиях).

Теперь же самая главная задача – выяснить назначение "узловатой" ДНК. По словам Дэниэла Криста (Daniel Christ), который возглавил исследовательскую группу, различные формы ДНК наверняка играют важную роль в том, каким образом считывается генетический код.

Напомним, что любой живой организм по сути представляет собой огромный код, похожий на компьютерный, только единицы и нули заменяют пары нуклеотидов. Это строительные блоки ДНК, состоящие из азотистых оснований – аденина (A), гуанина (G), тимина (T) и цитозина (C). Азотистые основания одной из цепей ДНК соединяются с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями по принципу комплементарности: аденин только с тимином, а гуанин с цитозином.

В результате получаются невероятно длинные нити ДНК, содержащие абсолютно всю информацию, которая необходима для роста, развития и функционирования организма.

Но учёные предполагают, что генетические инструкции, которые получает наш организм, исходят не только из содержимого ДНК, но и из её структуры. Иными словам, способ сложения нитей ДНК внутри клеток может изменить способ прочтения генетического кода.

"I-мотив представляет собой четырёхцепочечный "узел" ДНК. В его структуре "буквы" C на одной и той же цепочке ДНК связываются друг с другом, так что это сильно отличается от двойной спирали, где "буквы" на противоположных цепях распознают друг друга и где цитозин связывается с гуанином", — рассказывает ведущий автор работы Марсель Динджер (Marcel Dinger).

Чтобы обнаружить i-мотивы внутри клеток, исследователи разработали особый инструмент; его активный ингредиент – фрагмент молекулы антитела, который способен специфическим образом распознавать нужные участки нити ДНК и прикрепляться к ним с очень высокой аффинностью (то есть большой силой взаимодействия).

Собственно, из-за отсутствия таких специфичных для i-мотивов антител учёные и не могли распознать и изучить роль "узлов" ДНК. Авторы поясняют, что фрагменты антител, которые они использовали, не обращают никакого внимания на классическую спиральную структуру, а распознают исключительно G-квадруплексные структуры (четырёхцепочечные).

В результате с помощью нового инструмента исследователи обнаружили i-мотивы в ряде человеческий клеток.

Затем, используя флуоресцентные метки, специалисты определили, где конкретно располагаются искомые фрагменты. Оказалось, что они скрываются в ядрах клеток.

Но, пожалуй, самым любопытным оказался тот факт, что эти структуры не были постоянными. Зелёные пятна, то есть метки, которыми были обозначены i-мотивы, появлялись и исчезали с течением времени. Так что можно с уверенностью сказать, что эти "узловатые" фрагменты ДНК формируются, растворяются и формируются снова, пишут учёные.

Кроме того, удалось выяснить, что i-мотивы в основном формируются в определённый период жизненного цикла клетки – в поздней фазе G1 (первая из четырёх фаз клеточного цикла эукариотических клеток), когда идёт активная считка генетической информации.

Также было показано, что i-мотивы появляются в некоторых областях промотора (это области ДНК, которые контролируют включение или выключение генов) и в теломерах (концевых участках хромосом, которые играют важную роль в процессе старения организма).

Пока что рано говорить о чём-то с уверенностью, но логично предположить, что "узловатая" ДНК помогает включать и отключать гены, а также влияет на то, насколько активно идёт считка генетической информации. А переходный характер i-мотивов может объяснить, почему до сих пор их не удавалось отследить ранее, заключают специалисты.

Более подробно об этом открытии рассказывается в научной статье, которая была опубликована в издании Nature Chemistry.

Любопытно, 25 апреля в разных странах мира отмечается необычный праздник – Международный День ДНК, так что открытие австралийцев пришлось как нельзя кстати.

Сегодня