«Мы разгадали тайну жизни!»: как была открыта двойная спираль ДНК . Вдвое круче. Вызывает ли во мне данное противоборство гнев? Чувствую ли я себя неуверенно? Что приносит мне ощущение духовного роста, что вдохновляет меня? Что дает мне чувство безопа
Красота и мощь природного генетического аппарата, скрытые в двуцепочечной спирали ДНК, уже давно вдохновляли ученых на эксперименты по созданию искусственных молекул по образу и подобию материальной основы наследственности. Такие попытки осуществлялись уже не раз, так как простор для действия ученых довольно широк.
Во-первых, рукотворные изменения могут затронуть только так называемую скелетную часть ДНК, состоящую из молекул моносахарида дезоксирибозы, соединенных фосфодиэфирными мостиками. Такие синтетические эксперименты учёные уже проводили, что привело к созданию так называемых пептидных нуклеиновых кислот (ПНК), трео-фуранозильных нуклеиновых кислот (ТНК) и некоторых других аналогов. Однако эти изменения не затрагивают главных составных частей, из которых создана ДНК, азотистых оснований - аденина, цитозина, тимина, урацила и гуанина, так как целью подобных трансформаций было создание молекул, пригодных для применения в живых организмах - в исследованиях или для лечения генетических аномалий.
Другой стратегией создания искусственных ДНК является замена природных азотистых оснований на синтетические или добавление новых оснований , также способных вступать во взаимодействие по принципу комплементарности.
Дело в том, что ДНК, сколь бы сложной она не была, вполне может стать расходным материалом для многих технологий будущего. Природной ДНК на Земле предостаточно, молекула удобна для лабораторных экспериментов и вполне может вписаться в технологическую линию. Но самое главное — то, что природный механизм самоорганизации молекулы открывает огромные перспективы для использования в развивающихся отраслях науки - нано- и биотехнологиях и химической биологии.
К сожалению, эффективность ДНК ограничена всего двумя комплементарными парами - гуанин-цитозин и аденин-тимин. Создание искусственных аналогов, способных заменить природные компоненты в спиральной молекуле, открыло бы людям куда больше возможностей.
Разумеется, пока что это только фантазии, и эксперимент по получению полностью искусственной молекулы ДНК, описанный в «горячей» статье в Journal of the American Chemical Society, был поставлен японскими учеными по большей части из любопытства. Ну и соображений научного престижа, конечно.
Масахико Инуё и его коллегам удалось создать аналог ДНК, в который входят исключительно искусственные азотистые основания.
Поскольку при этом все «соединительные мосты» между нуклеотидами - дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты - остались прежними, то молекулу эту с полным правом можно называть даже не «аналогом», а ДНК. Поскольку в клеточных ядрах живых организмов ничего подобного не встречается, учёные полагают, что для неё лучше всего подходит термин «искусственная ДНК».
Лаборатория Инуё, работающего в высшей школе фармацевтики при Университете японского города Тояма, взяла за основу свои прежние наработки. В прошлом они уже показали, что гуанин в цепочке ДНК можно легко заменить на соединение «изо-гуанин * », способный вступать в обратимое взаимодействие по механизму водородной связи - трехкратной, как и у гуанина. При подготовке к синтезу полностью искусственной ДНК учёные создали также комплементарный «изо-гуанину * » «изо-цитозин * », «изо-тимин * » и «изо-аденозин * ».
Синтезировав на основе этих искусственных азотистых оснований несколько достаточно длинных двуцепочечных последовательностей, ученые сравнили их свойства со свойствами природной цепи.
Близость термодинамических и структурных параметров искусственной и природной ДНК и позволила ученым громко заявить о своем успехе.
Термическая стабильность искусственной ДНК оказалась очень близка к таковой у природного образца, несмотря на замену молекул и изменения соотношения силы взаимодействия нуклеозидов по механизму водородной связи и их стыковке благодаря гидрофильно-гидрофобным взаимодействиям.
Нуклеозиды - соединения из остатков азотистого основания и углевода - рибонуклеозид и дезоксирибонуклеозид.
Нуклеотиды - фосфорные эфиры нуклеозидов, нуклеозидфосфаты.
Сохранили искусственные последовательности нуклеозидов и высокую избирательную способность, также почти не уступающую фрагментам естественной ДНК. Например, последовательность из десяти искусственных нуклеотидов очень слабо взаимодействует с «почти комплементарной» ей цепочкой, даже если комплементарности не удовлетворяет хотя бы один из нуклеозидов. Причем такая избирательность, очень близкая к избирательности природной молекулы, обеспечивается исключительно за счет взаимодействия нуклеозидов, а не за счет не подходящих друг другу по размеру азотистых оснований. В природной молекуле размерный эффект приводит к значительному искажению углеводного скелета, за счет чего некоплементарная последовательность становится еще более неустойчива.
Более того, цепочки, построенные только из синтетических заменителей тимина и аденина, проявили способность к формированию тройных спиралей.
Ученые связывают это с особой симметрией молекул и надеются, что в будущем эта экзотическая особенность синтетических азотистых оснований может быть использована в технологических задачах.
Научится ли человек создавать искусственные живые системы на основе собственных ДНК, созданных по воле разума, а не по стечению факторов, зародивших жизнь на земле миллиарды лет назад, - покажет время. Пока же ждем прорыва в нанотехнологии, биохимии и других областях передовой науки, о которых «Газета.Ru» обязательно расскажет.
К 1950-м годам ученые не сомневались, что черты живых организмов в основном предопределены до рождения и передаются по наследству. У ребенка есть глаза, потому что глаза были у его родителей, не случаен и цвет глаз, как и склонность к близорукости. Чего исследователи не могли понять, так это где хранится вся эта информация. Долгое время считалось, что носитель - белки с их сложной структурой, в которой мерещилось все многообразие жизни. Но к середине 1940-х главной подозреваемой стала ДНК, огромная - у человека она длиной около метра - молекула, обнаруженная почти во всех типах клеток.
ДНК была открыта еще в 1869 году швейцарцем Иоганном Фридрихом Мишером, но тот не придал находке большого значения: его интересовало строение белых кровяных телец.
Кто разгадает первым
Когда в октябре 1951 года Уотсон начал работать с Фрэнсисом Криком в одном кабинете в Кембриджском университете, о ДНК было известно, что она состоит из четырех повторяющихся кирпичиков-оснований с сахаром и остатком фосфорной кислоты, причем аденина в ней столько же, сколько тимина, а гуанина - как цитозина. Но каким образом связаны эти составляющие, ученые понятия не имели.
Только предполагалось, что ДНК напоминала спираль, точнее, винт, но двойной ли, тройной или какой-нибудь другой, как в нем располагались основания, как эта структура могла хранить и воспроизводить наследственную информацию, если вообще могла, - все это оставалось загадкой. Познакомившись, Уотсон и Крик быстро поняли, что хотят вместе ее разгадать.
Кроме Уотсона и Крика структуру ДНК пытались выяснить еще две группы ученых. В Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, постоянно ругаясь, всматривались в рентгеновские снимки кристаллизованных молекул, а в Калифорнийском технологическом институте над загадкой жизни бился знаменитый химик Лайнус Полинг, который до этого первым определил строение компонентов белков.
За исследования химических связей в 1954 году ему дадут Нобелевскую премию. На его фоне Крик и Уотсон выглядели случайными прохожими: первый был по образованию физиком и только за четыре года до того переключился на биологию, а второму исполнилось всего 23 года. Правда, к тому времени у Уотсона уже была докторская степень.
Первая модель ДНК, разработанная Уотсоном и Криком, состояла из трех цепочек с фосфатными остовами в середине. Когда модель показали Франклин, та подняла коллег на смех: она была уверена, что остатки фосфорной кислоты должны располагаться с внешней стороны молекулы, а не в центре. Начальник Уотсона и Крика - Лоуренс Брэгг - так разозлился из-за этой неудачи, что запретил им дальше заниматься ДНК.
Еще не все пропало
Однако спустя год Брэгг поменял свое решение. В его лаборатории работал сын Лайнуса Полинга, который рассказал, что отец создал свою модель ДНК. В Брэгге взыграло самолюбие.
Они с Полингом были крупнейшими в мире специалистами в своей области, но американец первым определил строение и больших неорганических молекул, и белковой альфа-спирали. Брэгг был - и остается до сих пор - самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физике, которую ему и его отцу вручили еще в 1915 году. Но с конца 1920-х он вечно оставался позади Полинга.
Через месяц в Кембридже раздобыли еще не опубликованную статью Полинга с описанием модели. Ко всеобщему удивлению, ДНК в ней представала тройной спиралью с фосфатными остовами в центре, как за год до того предлагали Крик и Уотсон. В автобиографии Уотсон вспоминал: "Пока Френсис поражался новаторскому подходу Полинга к химии, я начал дышать спокойнее. К этому моменту я знал, что мы все еще в игре".
По рассказам Уотсона, он приезжал в Лондон, чтобы обсудить статью Полинга с Франклин, но та не разделила его энтузиазм и сказала, что молекула ДНК не может быть спиральной. Возможно, Уотсон приврал: в лабораторном журнале Франклин сохранились более ранние записи о том, что одна из двух форм ДНК может представлять собой именно спираль. Со слов Уотсона, этот случай стал последней каплей для работавшего с Франклин Мориса Уилкинса. Ее упрямство так надоело, что он в сердцах достал из ящика рентгеновский снимок ДНК и показал его Уотсону. У того отпала челюсть.
Квадратная пластинка размером всего несколько сантиметров вошла в историю как "Фотография 51". Чтобы сделать этот кадр, Франклин положила вытянутый в нить и кристаллизованный образец человеческой ДНК в специальную камеру, где рентгеновские лучи больше 60 часов отскакивали от него на пленку, формируя изображение - полосатый крест. Для Уотсона этот крест стал очевидным доказательством того, что ДНК состоит из двух закрученных цепочек. Франклин же этого не разглядела.
Красота - в простоте
Теперь ученые были уверены в спиралевидной форме молекулы. Но им еще нужно было объяснить, как в ДНК связаны кирпичики-основания с двух разных цепочек, - черные пятна на "Фотографии 51". Для этого Уотсон по-разному переставлял структурные формулы этих кирпичиков, но результата не было. Пока американский химик Джерри Донохью не показал ему свежую статью, где были описаны немного другие формулы кирпичиков ДНК.
Несколько дней Уотсон и Крик обдумывали новую модель, а 21 февраля 1953-го - ровно 65 лет назад - Уотсон догадался, что аденин из одной цепочки соединяется только с тимином из другой, а цитозин - с гуанином. В таком случае молекула ДНК напоминает равномерно закрученную лестницу с краями из сахара, остатка фосфорной кислоты и с параллельными ступенями одинаковой длины. Эти сочетания объяснили, почему в любой молекуле ДНК содержится одинаковое количество аденина с тимином и цитозина с гуанином. Наконец, если у каждого кирпичика есть только одна пара, то молекула может разделиться пополам и образовать две копии с той же генетической информацией. Ученых поразило, какой простой и красивой оказалась разгадка.
"Мы разгадали тайну жизни!", - ставшую знаменитой фразу Фрэнсис Крик произнес в своем любимом баре в Кембридже, где они с Уотсоном праздновали открытие. Впрочем, до всеобщего признания было еще далеко.
Новая загадка жизни
Первым делом выкладки показали Уилкинсу и Франклин. Те два дня сопоставляли их с рентгеновскими снимками и не нашли противоречий. В марте черновик статьи с описанием модели послали Полингу. Он похвалил коллег, но не понял, почему они отбросили гипотезу о тройной спирали. Для Полинга все встало на свои места, только когда он приехал в Кембридж и увидел фотографии Франклин.
В апреле статья Крика и Уотсона вышла в журнале Nature. В 1962 году Уотсону, Крику и Уилкинсу присудили Нобелевскую премию. Франклин умерла в 1958 году и осталась без награды. В последующие десятилетия другие ученые создали трехмерные компьютерные модели, расшифровали ДНК человека и других видов, а в последние годы научились редактировать записанные в ДНК гены. Возникла новая загадка - что станет с жизнью, если теперь ее программирует человек.
Общая информация и основные принципы
На сегодняшний день известно, что обычная модель ДНК состоит из двух спиралевидных нитей, которые переплетаются между собой на некотором расстоянии, однако, существуют структуры намного сложнее, такие как генетический материал с тройными спиралями. Подобные образования вызывают бурные дебаты среди специалистов, изучающих эти явления, проводятся симпозиумы, а также научные конференции.
Тройная спираль нуклеиновой кислоты образуется впоследствии переплетения трех олигонуклеотидов. При этом одно самостоятельное звено соединяется с «В» формой двойной спиралевидной конструкции ДНК через водородные связи. Ярким примером может служить связь олигонуклеотида формы «Т», который связывается своими основаниями «Т» и «А» между основной парой. В этом случае спираль нуклеиновой кислоты образуется из гомопиримидинов при непосредственном влиянии водородных связей.
Помимо этого, следует отметить, что описываемая модель возможна из пары полипуриновых и одного полипиримидинового стержня, с тройками оснований GGC. При этом дополнительная нить полипурина располагается в негликозидном желобке обычной спирали. Для образования триплекс спирали методом гибридизации, основополагающим фактором является наличие комплементарности олигонуклеотида и специфической последовательности.
Известные на сегодняшний день триплексы условно могут быть разделены на 2 основных класса: параллельные тройные спирали, а также псевдопараллельные. В последнем случае полярности гомопуриновой и 3-й цепи считаются противоположными.
История
В виде предположений высказывания о возможности существования троичной спирали ДНК появились еще в далеком 1953 году. Знаменитый ученый-генетик Ф. Крик в своих первоначальных работах в то время предполагал, что существующая модель ДНК имеет именно три, а не две спирали. Однако, в результате долгой и кропотливой работы ученый пришел к выводу, что именно двойные конструкции ДНК являются правильным вариантом, поскольку в тройных спиралях все расстояния между элементами казались недостаточными, а заряженные отрицательной энергией фосфаты, которые располагаются возле оси, со временем будут отдаляться друг от друга, что само по себе не предусматривало наличие трех нитей.
До середины 80 годов изучению троичных спиралей кода не уделяли должного внимания, и развитие науки в этом направлении не встречало должного интереса со стороны практикующих ученых. Однако, после того как в 86 году прошлого века был открыт неизвестный до этого времени уникальный подвид нуклеиновой кислоты Н-формы, снова появилась заинтересованность в изучении триплекс конструкций. Именно основой этой структуры и послужила троичная форма, в которой принимает участие половина гомопурин- гомопиримидинового отрезка, имеющего вид парной спирали и одна из нитей иной части этого же отрезка, располагающаяся на большой борозде.
Открытие же троичных спиралей нуклеиновой группы кислот датируется 1957 годом. Авторами этого открытия считаются ученые – Девис, Фельзенфельд. С тех времен ведущими исследователями этой сферы были изучены структуры и химические свойства, трансфекции клеток, а также проведены множественные эксперименты на различных животных.
Использование свойств троичной спирали в медицине и генетике
Троичная конструкция успешно используется для очищения парной ДНК. Это стало возможным благодаря революционному биотехнологическому открытию. Этот способ очистки двойной ДНК заключается в прохождении раствора обычной нуклеиновой кислоты через смеси с иными составляющими, связанными с олигонуклеотидом, который является основным фактором или компонентом образования троичной конструкции матрицы. Этот способ позволяет достичь уникальной чистоты структуры матрицы при относительно небольших временных затратах.
Возможна эффективная очистка кольцевой ДНК, которая содержит в себе один или несколько генов, представляющие особый интерес для специалистов терапевтической области, а также общей медицины.
Создание тройной конструкции нуклеиновой кислоты также может быть применимо для очищения РНК, которое состоит из двух переплетающихся нитей, что доказано во многих практических лабораторных опытах.
Перспективы развития
На сегодняшний день перспективы использования тройной модели и ее практические значения изучаются ведущими учеными и специалистами этой сферы. Современные исследования направлены на создание структуры нуклеиновой кислоты человека, которая могла бы успешно противодействовать негативному воздействию любого смертоносного вируса или вредной бактерии.
Одним из курьезных случаев, который был связан с открытием троичной матрицы ДНК, является опубликование известным 
ученым-химиком Полингом, который, кстати, был Нобелевским лауреатом, заявления об открытии подобной конструкции генетического материала. Однако, его теория была ошибочной, поскольку опубликованные результаты исследований подтвердили, что представленная Полингом модель была всего лишь вывернутым вариантом обычной парной модели кода, поэтому его представления о тройной структуре основных нитей были неверными.
Существует множество таинственных легенд и теорий, которые обуславливают открытие третьей дополнительной нити нуклеиновой кислоты как некий мировой заговор, который имеет своей конечной целью генетическое очищение генофонда Земли. При этом многие любители непознанного публикуют доказательства и отдельные реликвии, на которых якобы изображены лишние нити в структуре матрицы человека. Также многие из них делают параллели между развитием древних цивилизаций именно с существованием подобной структуры кода. Так, тройное сплетение нитей в период древнего индуизма олицетворяло трех главных богов, от которых зависела вся жизнь во вселенной.
Различные спекуляции на тему необъяснимого влияния тройной спирали, по всей видимости, будут продолжаться до момента окончательного научного заключения о влиянии такой структуры матрицы на развитие организма человека.
Двойная спираль ДНК является одним из символов науки, но немногие знают, что эта нуклеиновая кислота способна образовывать и более сложные структуры. До недавнего времени они интересовали разве что химиков и кристаллографов - считалось, что неканонические формы ДНК не встречаются в живых клетках. Британские биологи нанесли мощный удар по этому стереотипу.
Про Джеймса Уотсона, одного из первооткрывателей двойной спирали ДНК, рассказывают такой анекдот. Как-то на лабораторном семинаре в Колд Спринг Харбор, когда колкий на язык Уотсон больше обычного увлекся критикой своих сотрудников, один из них попытался урезонить своего начальника: «Джим, если у тебя есть Нобелевская премия (a Nobel prize), это еще не значит, что все остальные ничего не понимают в том, чем занимаются». Ответ Уотсона оказался труднопереводимым, но запоминающимся: «I don"t have a Nobel Prize, I have the Nobel prize» («у меня не просто Нобелевская премия, а та самая Нобелевская премия»), - заявил он.
Уотсона можно понять: опубликованная им совместно с Френсисом Криком двуспиральная структура ДНК - это не только важнейшее открытие в биологии XX века, это еще и хрестоматийный образ, один из главных символов науки вообще. Вероятно, именно из-за феноменальной известности этой структуры мало кто знает, что ДНК бывает не только двуспиральной. Да и не всякая двуспиральная ДНК одинакова.
Другая двойная
Открытие Уотсона и Крика (на основе данных, полученных Розалинд Франклин) на долгое время затмило все остальные структуры, которые рассматривались в качестве альтернативных. Это неудивительно: ключевое свойство модели заключается в том, что она самой своей структурой показывает, как может храниться и копироваться генетическая информация.
После публикации Уотсона и Крика сразу стало понятно, что для воспроизводства нуклеиновой кислоты достаточно расплести две ее нити и для каждой из них, как по слепку, восстановить комплементарную пару. Это сразу объясняло и механизмы наследственности, и причину изменчивости, да и вообще саму теорию эволюции ставило на прочную экспериментальную почву.
Richard Wheeler / Wikipedia
В ходе дальнейших исследований оказалось, что двойная спираль ДНК, в общем-то, не обязана в точности соответствовать модели Уотсона-Крика. Физики, исследовавшие спектры препаратов ДНК, и их коллеги-кристаллографы обнаружили, что две те же самые нити можно заплести и в более толстую, более крутую спираль, которая довольно сильно отличается от модели Уотсона-Крика. Полный оборот такой спирали содержит 11, а не 10 нуклеотидов. Кроме того, их плоскости сильнее повернуты относительно оси молекулы, из-за чего в ее центре (если смотреть с «торца») образуется пустота. Да и бороздки, куда белки протягивают свои «щупальца» на поверхности такой ДНК имеют меньшую глубину.
Эта структура, в которую сворачивается ДНК при недостатке влаги, называется A-формой в противоположность классической B-форме. Этот подвид ДНК для биологов так и остался лабораторной экзотикой. Зато оказалось, что другая нуклеиновая кислота - РНК, которая тоже порой сворачивается в спираль, образует как раз именно такую структуру. То же самое происходит и с гибридами между ДНК и РНК.
В 1970-х годах удалось обнаружить еще более экзотическую структуру нуклеиновой кислоты - Z-форму. Свое название она получила от изогнутого вида линии нуклеотидов в цепях. Этих цепочек в структуре тоже две, как и в A и B-формах, но только скручены они не в правую, а в левую спираль.
В отличие от A-формы, условием образования левоспиральной Z-формы оказались не специфические условия среды, а особая последовательность нуклеотидов на ДНК. Некоторые последовательности оказались очень склонны к образованию таких форм, и соответствующие участки удалось найти в геноме многих организмов.
Z-форма ДНК
Ученым известны и другие формы ДНК: C-форма или, скажем, комплекс-тример, образующийся между тремя разными нитями во время рекомбинации. К слову сказать, именно трехспиральную структуру первоначально рассматривали Уотсон и Крик перед тем, как открыть двойную спираль. Такую же модель изучали и их конкуренты - Полинг и Кори.
Однако, пожалуй, самой необычной среди известных форм ДНК является так называемый G-квадруплекс - структура, образованная из четырех нитей нуклеиновой кислоты. Именно ее удалось в большом количестве найти на человеческих хромосомах британским биологам.
Квадруплекс
Первые намеки на возможность образования таких структур были получены задолго до прорывной работы Уотсона и Крика - еще в 1910 году. Тогда немецкий химик Ивар Банг обнаружил, что один из компонентов ДНК - гуанозиновая кислота - при высоких концентрациях образует гели, в то время как другие составные части ДНК таким свойством не обладают.
В 1962 году с помощью рентгеноструктурного метода удалось установить структуру ячейки этого геля. Она оказалась составлена из четырех остатков гуанина, связывающих друг друга по кругу и образующих характерный квадрат. В центре связь поддерживает ион магния. Такие же структуры могут образовываться и в ДНК, если в ней много гуанина. Эти плоские квадраты складываются в стопки, и получаются довольно устойчивые, плотные структуры.
В четырехспиральные комплексы могут сплетаться четыре отдельные цепочки ДНК, но это скорее является исключением. Чаще единственная нить нуклеиновой кислоты просто завязывается в узел, образуя характерные утолщения (например, на концах хромосом), либо двуцепочечная ДНК на каком-то богатом гуанином участке образует локальный квадруплекс.
Julian Huppert / Wikipedia
Бремя доказательства
Со всеми альтернативными, неканоническими структурами ДНК у биологов возникает одна и та же проблема. Дело в том, что получить такую ДНК в пробирке, установить ее структуру - это одно. Но доказать, что она существует в реальной живой клетке, да еще и выполняет какую-то функцию, важную для этой клетки, - это совсем другое.
С А-формой ДНК, например, до сих пор неясно - имеет ли она хоть какое-то значение для жизни или это просто лабораторный артефакт. Данных по Z-форме чуть больше: белки, стимулирующие ее образование, были найдены в некоторых вирусах.
Что касается G-квадруплекса, то это просто ярчайший пример того, как наши знания ограничиваются существующими методами. С точки зрения химии и кристаллографии о четырехспиральной ДНК известно почти все, с точки зрения биологии - очень мало. Наиболее изучено существование квадруплексов на концах хромосом - на теломерах. Также известен по крайней мере один регуляторный участок (в онкогене c-myc ), в котором такая ДНК действительно существует. Но насколько такая ДНК является экзотикой, и какова ее представленность в человеческих хромосомах, до сих пор было не известно.
Теломеры - это ДНК-белковые комплексы, которые возникли у клеток с переходом от кольцевых на линейные хромосомы. При этом возникла проблема недорепликации концов: если получить полноценную копию кольцевой ДНК довольно просто, то линейная хромосома при копировании будет всегда немного укорачиваться. Компенсирует это укорачивание фермент теломераза, который достраивает концы хромосом «бессмысленными» повторяющимися последовательностями. При этом одна из цепей ДНК на конце становится длиннее другой. Именно этот одноцепочечный «хвост» и сворачивается на концах хромосом в G-квадруплексы.
Понятно, что рассмотреть структуру ДНК в микроскоп невозможно. Невозможно также применить для этого рентгеноструктурный анализ - он требует получения кристаллов и большого количества вещества. Для поиска квадруплексов какое-то время назад применялись низкомолекулярные вещества-красители, которые преимущественно связываются именно с такой структурой. К сожалению, впоследствии оказалось, что они не только связываются с четырехспиральной ДНК, но и сами стимулируют ее образование, а значит, не подходят для исследования.
Прорыв в этом направлении произошел после того, как удалось получить специфические антитела, которые связываются именно с G-квадруплексом, но при этом никак не влияют на его образование. Чтобы увидеть очень слабый сигнал от таких антител, ученые применили их на необычном объекте - инфузориях.
У этих одноклеточных имеется целых два ядра, одно из которых не используется (хранится для размножения), а во втором те же самые хромосомы тиражируются в сотнях одинаковых копий. В результате соответственно увеличивается и количество хромосомных концов, где находятся квадруплексы в составе теломер. Использование такого необычного объекта позволило рассмотреть четырехспиральную ДНК на концах хромосом, но увидеть их у человека и млекопитающих до сих пор никому не удавалось.
Инженеры антител
Именно этого добились британские исследователи из Кембриджа во главе с Шанкаром Баласумбраняном. Они создали специальные антитела, которые связываются исключительно с квадруплексом и не реагируют на двуцепочечную, одноцепочечную ДНК или на РНК. Антитела были разработаны исключительно инженерным способом - с помощью так называемого фагового дисплея, когда миллиарды и миллиарды вариантов отбираются in vitro по принципу максимальной специфичности.
Используя такие антитела на препаратах клеток, авторы увидели светящиеся точки на концах хромосом - те места, где присутствует G-квадруплекс. Еще интереснее то, что такие точки также были обнаружены и в теле хромосом - там, где их существование еще ни разу не было экспериментально продемонстрировано.
Конечно, имелись данные о наличии такой структуры в регуляторной области некоторых генов, связанных с раком. Кроме того, большое количество таких точек (более 375 тысяч) было предсказано просто по анализу последовательности генома человека. Однако такого одновременно полномасштабного и экспериментального исследования еще никому не удавалось провести.
Авторы показали, что распределение квадруплексов ДНК по геному сильно меняется в зависимости от стадии клеточного цикла. Это неудивительно и с физической точки зрения - копирование нуклеиновой кислоты без расплетения такого узла невозможно. Но сам факт, безусловно, свидетельствует о некой функциональной роли таких участков.
Biffi, G., et al., Nature Chemistry, 2013
Впрочем, говорить о том, что мы знаем, для чего ДНК-квадруплексы важны, пока рано. Существует несколько моделей, в которых такая ДНК является регуляторным элементом, но опять-таки все упирается в вопрос, насколько справедливо переносить знания, полученные «в пробирке», на то, что реально происходит в клетке.
Сейчас основная задача молекулярных биологов - подтвердить независимым способом выводы британских ученых. Ведь методы, связанные с антителами, среди биологов известны тем, что они иногда просто отказываются работать в «чужих» руках.
Несмотря на множество грамотных контрольных экспериментов, поставленных британцами, основывать на одном исследовании слишком далеко идущие выводы о роли четырехспиральной ДНК будет довольно опрометчиво. Лучше всего было бы придумать какой-то новый, независимый от антител, оригинальный способ «поймать» G-квадруплексы на хромосомах человека. Тот, кому это удастся, возможно, и не сможет претендовать на тот самый «the Nobel prize», но место в истории науки ему обеспечено.