В ДНК встроен «мутационный таймер»
Если бы вам пришлось переписывать миллиарды букв с одного листа бумаги на другой, вы бы наверняка допустили несколько ошибок. Поэтому неудивительно, что когда ДНК копирует свой трёхмиллиардный генетический код, она тоже может ошибаться.
Человек может сослаться на усталость или скуку, но учёные давно задавались вопросом, как почти безошибочная система репликации ДНК всё же совершает ошибки. Теперь, кажется, найдена важная часть ответа.
Учёные обнаружили, что спиральная структура ДНК содержит своего рода встроенный «таймер», определяющий частоту спонтанного возникновения определённых мутаций. Они показали, что некоторые азотистые основания ДНК могут менять форму на тысячную долю секунды, временно превращаясь в альтернативные состояния, которые позволяют репликационному аппарату включить неправильные пары оснований в двойную спираль. Такие несоответствия, хотя и редкие, могут лежать в основе генетических изменений, движущих эволюцию и болезни, включая рак.
«Увеличение или уменьшение скорости спонтанных мутаций может значительно изменить способность организма к эволюции или его восприимчивость к болезням», — сказал Хашим М. Аль-Хашими, старший автор исследования и профессор биохимии и химии в Медицинской школе Университета Дьюка.
Результаты опубликованы 1 февраля в журнале Nature.
Каждый раз при делении наших клеток ДНК в них должна реплицироваться, чтобы каждая новая клетка получила одинаковый набор инструкций. Молекулярные машины, известные как полимеразы, создают эти копии ДНК, распознавая форму правильных пар оснований — G с C и A с T — и добавляя их в каждую новую двойную спираль, отбрасывая те, которые не подходят. Хотя они хорошо справляются со своей работой, полимеразы иногда ошибаются, генерируя примерно одну ошибку на каждые 10 000 оснований. Если их не исправить, они становятся мутациями в геноме.
В своей знаковой статье 1953 года, описывающей структуру двойной спирали ДНК, Уотсон и Крик предположили, что основания ДНК могут менять свою форму, чтобы неправильные пары могли сойти за настоящие. Несколько лет назад Аль-Хашими и его коллеги использовали сложную технику NMR relaxation dispersion, чтобы зафиксировать эти крошечные движения или «квантовые колебания», длящиеся мгновение.
В новом исследовании аспиранты Дьюка Исаак Кимси и Эрик Шимански использовали усовершенствованную версию своей предыдущей методики, чтобы изучить связь между этими меняющими форму основаниями и ошибками, совершаемыми ДНК-копирующей полимеразой. Они снова застали основания G и T «на месте преступления» и показали, что их изменение формы происходит примерно с той же скоростью, с которой полимеразы включают в цепь несоответствия G-T.
Совместно с коллегами из Университета штата Огайо они загрузили данные ЯМР в «кинетическую модель», которая отслеживала почти невидимые движения атомов в несоответствиях, приводящие к ошибкам репликации. Они обнаружили, что, хотя разные альтернативные состояния вносят вклад в ошибки, таутомерные формы доминируют в нормальных условиях, а анионные формы — в присутствии мутагенов и стрессовых факторов окружающей среды.
«В прошлом мы знали, что ДНК-полимеразы совершают ошибки во время репликации ДНК, но не знали, как они это делают. Теперь наше исследование даёт механистическое понимание того, как возникают эти ошибки», — сказал Цуцай Суо, профессор химии и биохимии из Огайо.
Результаты представляют собой «убедительное подтверждение химического происхождения мутаций, предложенного Уотсоном и Криком в 1953 году», — сказал Майрон Гудман, профессор молекулярной биологии и химии из Университета Южной Калифорнии, не участвовавший в исследовании.
Одним из неожиданных открытий стало то, что частота изменения формы оснований варьировалась в зависимости от последовательности ДНК. Ошибки появлялись чаще в одних последовательностях, чем в других. Например, область с большим количеством G и C может формировать больше «квантовых колебаний» и, как следствие, больше мутаций, чем область, богатая A и T.
Эти «квантовые колебания» могут быть ответственны не только за ошибки репликации, но и за другие молекулярные процессы, такие как транскрипция, трансляция и репарация ДНК. Исследователи планируют продолжить изучение того, как эти альтернативные состояния могут нарушать поток информации, содержащейся в нашей ДНК.