Почему ДНК стала основой жизни

Почему именно ДНК лежит в основе всех белковых организмов? Ведь в добелковую эпоху основой жизни была ее "родственница" — РНК… Этот вопрос занимал ученых уже давно, и, похоже, они все же нашли ответ на него. Результаты последнего исследования американских биологов были опубликованы в журнале Nature Structural and Molecular Biology.

Фото: Фото: AP

"Мир РНК"

Нуклеиновые кислоты открыл в 1868 году швейцарский ученый Иоганн Фридрих Мишер. Термин "нуклеин" был употреблен, поскольку эти вещества первоначально обнаружились в ядре клетки (ядро по-латыни nucleus). Но позднее оказалось, что клетки бактерий, не имеющие ядра, содержат те же кислоты.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — это одна из трех основных макромолекул, наряду с ДНК и белками, содержащихся в клетках живых организмов. К образованию клеточных РНК приводит процесс, называемый транскрипцией, — синтез РНК на матрице ДНК, осуществляемый посредством специальных ферментов, РНК-полимеразы. Матричные РНК (мРНК), в свою очередь, участвуют в процессе трансляции - синтезе белка на матрице мРНК с помощью рибосом. Остальные разновидности РНК после транскрипции модифицируются и выполняют различные функции, зависящие от их типа, скажем, доставки аминокислот к месту синтеза белка.

Молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (таких, как теломераза), но отдельные виды обладают собственной активностью. Так, они могут вносить разрывы в другие молекулы РНК или, напротив, "склеивать" между собой два РНК-фрагмента.

Из РНК состоят геномы некоторых вирусов. Поскольку эти молекулы способны одновременно выполнять функции и носителя информации, и катализатора химических реакций, была выдвинута гипотеза, согласно которой они стали первыми на Земле сложными полимерами.

Так называемая "гипотеза РНК-мира" гласит, что в начале эволюции РНК стала катализатором для синтеза других аналогичных молекул, а затем и ДНК. Но постепенно в большинстве структур РНК заменил белок.

Пары Хугстина

Хойцин Чжоу из Университета Дьюка в Дареме (США) и ее коллеги занимались изучением формирования так называемых "хугстиновских пар". Последние представляют собой альтернативный метод связывания нуклеотидов друг с другом. Такой способ связывания характерен лишь для одного процента элементов в двойной спирали ДНК.

Двойная спираль ДНК может существовать благодаря тому, что две ее "половинки" притягиваются друг к другу посредством водородных связей. Последние, в свою очередь, возникают как притяжение между частично положительно и отрицательно заряженными атомами, к примеру, атомами кислорода и водорода или кислорода и азота. Так, строение молекул воды — яркий пример водородных связей…

В молекуле ДНК такие связи существуют между двумя ее главными фрагментами — азотистыми основаниями. В условных "буквах" А и Т присутствуют две такие связи, в Ц и Г -три.

Сначала считалось, что это единственный существующий способ связей между молекулами, но американский биолог Карст Хугстин обнаружил альтернативную конфигурацию, при которой молекулы азотистого основания буквально "переворачиваются" и в связь вступают совсем другие атомы…

Если на структуре пар "А-Т" от этого практически ничего не меняется, то пары "Ц-Г" в результате таких "пертурбаций" теряют одну из своих трех связей. Они становятся нестабильными, спиральная структура ДНК искажается, и могут формироваться различные "нестандартные" структуры.

Тест на устойчивость

Группа Чжоу выяснила, что хугстиновские пары, которые то появляются, то исчезают в двойной спирали ДНК, способны защищать последнюю от повреждений, позволяя молекулам генетического кода сохранять гибкость даже при разрывах. Ученые решили проверить, обладают ли таким же свойством РНК. Но оказалось, что возникновение в РНК пар Хугстина довольно быстро приводило к тому, что молекулы дестабилизировались и двойная спираль разрушалась.

"ДНК может принимать особую форму, образуя так называемые пары Хугстина, которые помогают молекуле сопротивляться повреждениям и оставаться целой, — рассказала Хойцин Чжоу. — С другой стороны, появление подобных структурных модификаций в молекуле РНК приводит к разрушению ее двойной спирали".

По мнению экспертов, двойная спираль РНК "закручена" куда сильнее, чем у ДНК. Это препятствует "переворачиванию" нуклеотидов в процессе формирования хугстиновских пар и приводит к тому, что молекулы "ломаются". Именно поэтому молекулы РНК более подвержены повреждениям. Нет ничего удивительного в том, что эволюция со временем заменила их на гораздо более устойчивые ДНК…