В двуспиральной РНК невозможны структурные перестройки, которые в ДНК обеспечивают устойчивость молекулы к химическим модификациям.

Мы часто слышим о том, что жизнь на Земле началась с РНК – именно рибонуклеиновые кислоты стали первыми, кто научился не только хранить информацию, но и передавать её из поколения в поколение и, что немаловажно, допускать при этом определённый процент ошибок, открывающий путь отбору.

Художественное изображение структуры двуспиральной молекулы ДНК; «перекладины» между двумя цепочками образованы соединёнными друг с другом азотистыми основаниями. (Фото ColiN00B / https://pixabay.com.)

Спаривания нуклеотидов (аденина с тимином и гуанина с цитозином) по Уотсону и Крику и по одному из хугстиновских вариантов. (Иллюстрация Evgenia N. Nikolova et al., Nature 470, 498–502.)

По гипотезе РНК-мира, в древнейшем океане на нашей планете плавали молекулы РНК, которые копировали сами себя и соревновались друг с другом за ресурсы – например, за нуклеотиды, которые служат для РНК строительными «кирпичиками».

Однако со временем РНК отошла на второй план, и у современных организмов (за исключением некоторых вирусов) вся наследственная информация хранится в ДНК, а РНК стала копией-посредником, которая синтезируется на определённом гене, а потом направляется к белок-синтезирующей машине. Ещё есть масса разновидностей РНК, выполняющих в клетках важнейшие регуляторные функции, но, так или иначе, хранением наследственной информации и РНК сейчас не занимается.

Почему так произошло? Известно, что ДНК намного устойчивее, чем РНК, и один из механизмов такой устойчивости описывают в своей статье в Nature Structural and Molecular Biology Хашим Аль-Хашими (Hashim M Al-Hashimi) и его коллеги из Университета Дьюка. Но прежде чем перейти к сути их работы, нужно вспомнить, что представляет собой ДНК.

Мы знаем, что это двуспиральная молекула, напоминающая винтовую лестницу – каждая нить ДНК сложена последовательностью рибонуклеотидов, в состав которых входят остаток фосфорной кислоты, сахар дезоксирибоза и азотистое основание. Именно азотистые основания, числом четыре (аденин А, тимин Т, гуанин G, цитозин С), и образуют генетический текст.

 В ДНК основания обращены внутрь «лестницы», причём азотистые основания одной нити ДНК соединяются с основаниями другой нити, образуя «перекладины». Однако основания соединяются с собой не абы как, а по определённому правилу комплементарности: аденин – с тимином, гуанин – с цитозином. Заслуга Уотсона и Крика, построивших модель ДНК, именно в том, что они поняли, что именно такое соединение нуклеотидов в разных цепях позволяет сделать устойчивую длинную молекулу, которая сможет передавать информацию своей «дочке».

При репликации (то есть при удвоении ДНК) на каждой её цепи в соответствии с правилом комплементарности синтезируется новая цепь, и благодаря строгому соединению А с Т и G с С две новые двуспиральные молекулы ДНК выглядят так же, как и прежняя материнская молекула. (Тут стоит заметить, что на самом деле старая молекула расходится на две цепи, и каждая из старых цепей отходит по наследству дочерним молекулам, но в молекулярные тонкости репликации мы сейчас погружаться не будем.)

Но довольно скоро оказалось, что нуклеотиды в комплементарных цепях могут спариваться друг с другом по-разному. Это не значит, что аденин вдруг встанет в пару с гуанином – сами напарники будут те же, просто химические связи между ними будут немного иные. Схему неканонического спаривания нуклеотидов предложил Карст Хугстин, и с тех пор кроме стандартных уотсон-криковских пар существуют ещё и хугстиновские пары. Повторим ещё раз, что при спаривании по Хугстину аденин по-прежнему стоит в паре с тимином, а гуанин с цитозином, просто в их молекулах связи образуются между другими атомами, и сами азотистые основания несколько иначе развёрнуты в пространстве друг относительно друга.

Разные виды спаривания нуклеотидов действительно есть в природной ДНК: несколько лет назад Аль-Хашими и его сотрудники показали, что пары нуклеотидов переходят в хугстиновскую форму, когда ДНК связывается белками или же когда в ней случатся химические повреждения. Когда белок покидает ДНК и когда повреждения устраняются, пары оснований возвращаются в обычное, уотсон-криковское состояние.

В РНК же, как оказалось, никаких хугстиновских взаимодействий не получается. РНК тоже может существовать в форме двойной спирали, однако основания в ней всегда спарены по Уотсону и Крику, вне зависимости от внешних условий и вне зависимости от нуклеотидной последовательности самой РНК.

Более того, когда в РНК вносили химическую модификацию, которая в ДНК заставляла азотистые основания перейти в хугстиновскую конфигурацию, то цепи РНК в таком случае просто расходились друг с другом. Вообще говоря, параметры двуцепочечных спиралей ДНК и РНК отличаются, и, по мнению авторов работы, поскольку спираль РНК более плотная, то никакие переходы от одной схемы взаимодействия к другой в ней просто невозможны.

Иными словами, взаимодействия по Хугстину добавляют ДНК гибкости и прочности: в случае каких-то химических неприятностей её цепи не разойдутся друг с другом, а подождут, когда их отремонтируют. Возможно, хугстиновские взаимодействия оказываются кстати вообще при работе с белками – а ведь ДНК постоянно приходится работать с белками, которые приходят либо для того, чтобы активировать какой-то ген, или чтобы начать репликацию, или для того, чтобы исправить мутацию. Двуспиральная молекула РНК в этом смысле оказывается более жёсткой и хрупкой, и потому менее подходящей на роль хранителя генетической информации.