Почему РНК проиграла ДНК «спор за наследство»

Все новости ›

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.

17 августа 2016

Автор: Кирилл Стасевич

Источник: nkj.ru

Читайте также:

Можно ли собрать РНК из «неживого» сырья?

Можно ли собрать РНК из «неживого» сырья?Все необходимое для создания РНК можно синтезировать из простого химического сырья без помощи ферментов.

Читать целиком

Случайная статья

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее

Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки