Оригинал взят у
ek_21 в
Нуклеиновые перевёртыши Статья из журнала "
Химия и жизнь", 1975, номер 10, с. 28-34
Нуклеиновые перевёртыши
Кандидат физико-математических наук Э. Н. ТРИФОНОВ
Вспомните, читатель, как ребёнком, только овладев грамотой, вы доставляли себе удовольствие (а взрослым досаду), прочитывая слова задом наперёд. Получались «чудные» слова, иногда смешные, но чаще нелепые, неблагозвучные, и вы скоро теряли к этому занятию интерес. Более настойчивые из нас выискивали слово-два, которые в любом направлении читаются одинаково. Такие слова - перевёртыши, а порой и целые словосочетания, забываются, но потом кем-то (вашими же детьми) открываются вновь.
Так и живут забавные перевёртыши, никому не нужные и чем-то таинственные. И уже совсем не дети, а серьёзные взрослые люди возвращаются иногда к этой игре, и тогда появляются необыкновенно сложные, длинные перевёртыши, бесполезные, но очень трудные открытия.
Помните: «А роза упала на лапу Азора»? Это сочинение А. А. Фета. Заметим, что до 1918 года в русском письме к каждому слову с согласным звуком на конце прибавлялся ещё нечитаемый «ъ». Приходилось искать слова без этой назойливой буквы. Г. Р. Державин так обошёл эту трудность: «Я иду съ мечемъ, судия». После отмены концевого «ъ» с перевёртышами стало легче. В. Хлебников составлял из них целые стихотворения («Собрание произведений», т. 3) и находил в этом особый смысл и удовольствие.
Впрочем, какой же в перевёртышах смысл? Mнoго ли можно сказать на таком языке, в котором непременно всё должно читаться задом наперёд точно так же, или пусть даже не так, но тоже со смыслом («Лева плыл, Павел летел»)?
Но оставим эти вопросы филологам и обратимся к другому языку, в котором перевёртыши встречаются гораздо чаще. В нём они определенно нужны, хотя и не во всех случаях ясно -для чего. Это генетический язык, слова в котором - последовательности нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитоэин (Ц) в ДНК или А, У (урацил), Г, Ц -в РНК.
ШПИЛЬКИ В КЛЕВЕРНОМ ЛИСТЕ
Важнейшее свойство нуклеиновых кислот - способность образовывать двунитевые структуры. Оно обнаружилось впервые в историческом исследовании
Уотсона -
Крика -
Уилкинса в 1953 году. Тогда оказалось, что ДНК несёт в себе сразу два текста, разные в двух разных нитях. Но информация в них заключена одна и та же, потому что каждому нуклеотиду в одной нити отвечает лишь один определённый нуклеотид в другой, и два текста, таким образом, однозначно соответствуют друг другу. В этом соответствии заключён принцип комплементарности (дополнительности). В строго упорядоченной двойной спирали пространственные возможности таковы, что против А может стоять только Т, против Г - только Ц (и соответственно наоборот).
Нуклеотидный текст ДНК - это две комплементарные друг другу строчки. Каждая из них может считываться копирующим ферментом только в одном направлении. Если одна строка читается слева направо, то другая - справа налево. Это удобно изобразить так:
Составим на этом языке какой-нибудь перевёртыш и посмотрим, что из этого последует. Для этого в самом деле перевернём наш кусочек текста:
И теперь соединим оба кусочка в один текст, приставив их друг к другу:
Получилось, что наш двустрочечный текст читается слева направо (верхняя нить) точно так же, как справа налево (нижняя нить). Такой текст мы и будем называть нуклеиновым перевёртышем. Это просто две одинаковые и к тому же комплементарные друг другу цепочки.
И они обладают вот каким интересным свойством.Возьмём одну из цепочек и сложим посередине:
Получилось нечто вроде шпильки, в которой везде против А стоит Т, а против Г - Ц. Если между этими шестерками букв стоят ещё несколько других (обозначим их кружками):
то образуется шпилька с петлёй:
Молекулы РНК, скопированные с ДНК-перевёртыша, очевидно, тоже должны образовывать подобные шпилькообразные структуры. И так же, как двунитевая ДНК, эти шпильки представляют собой двойную спираль, только короткую. Найдя такую спираль в РНК, мы можем утверждать, что в ДНК, с которой она скопирована, есть перевёртыш.
В 1965 году
Р. Холли расшифровал химическую структуру аланиновой транспортной РНК. Располагая первым в мире прочтённым генетическим текстом, Холли на мог отказать себе в удовольствии поискать в нём перевёртыши-шпильки. Сложив текст пополам, он ничего эффектного, однако, не получил. Но предположение, что в тРНК может быть сразу несколько небольших шпилек, привело к успеху. Оказалось, что таких шпилек в аланиновой тРНК четыре, и они образуют что-то наподобие креста или клеверного листа (рис. 1). Это ни на что не было похоже и казалось никчемным.
Будучи людьми серьёзными, Холли и его коллеги очень осторожно, почти как о курьёзе, сообщили о клеверном листе. И были щедро вознаграждены за смелость. Все расшифрованные сегодня последовательности тРНК (а таких уже около 60) оказались крестообразными, построенными из шпилек-перевёртышей. Из последних рентгеноструктурных исследований тРНК мы знаем, что спирали-шпильки в тРНК складываются в уникальную L (или Г)-образную пространственную структуру. Шпильки в РНК - важный элемент структуры, необходимый, по-видимому, для узнавания РНК белками, с которыми она специфически взаимодействует.
КОМУ ЗАБАВА, А КОМУ БЕДА
Перевёртыши в нуклеиновых текстах, следовательно, нужны. А несколько лет назад стало известно, что существуют даже особые ферменты, выискивающие в нуклеотидных текстах перевёртыши. Как мы убедимся сейчас, совсем не для забавы.
Это так называемые рестрикционные нуклеазы (кстати, главный инструмент генной инженерии). Они служат для защиты бактерии от чужеродной (например, фаговой) ДНК, которая немедленно этими ферментами расщепляется. Рестриктаза наносит удар не где придётся. Она выбирает совершенно определённые «слова» в тексте ДНК. Вот некоторые из них:
Узнаёте? Каждое «слово» - перевёртыш. Молекула неприятельской ДНК, содержащая два-три таких перевёртыша, обречена на гибель. Фермент разгрызает её на куски. Но как же собственная бактериальная ДНК? Ведь там тоже встречаются эти роковые буквосочетания, и даже очень часто. Но в клетке к ним присоединены метильные группы, и поэтому рестриктаза не узнаёт свои мишени. А метилируется ДНК специальным ферментом - модифицирующей метилазой. И это ещё один фермент, ищущий нуклеиновые перевёртыши.
Возникает естественный вопрос: почему рестрикционным нуклеазам нужна не просто определённая группа нуклеотидов, а обязательно перевёртыш? Ответа мы пока не знаем, но можно высказать простое предположение. Вероятно, это нужно для того, чтобы молекула разрывалась сразу в обеих нитях и чтобы разрывы приходились друг против друга. Ведь мы знаем, что разрыв только в одной нити - ещё не беда для ДНК. Целая нить комплементарными связями поддерживает половинки повреждённой и не позволяет её концам разойтись. Специальные ферменты (лигазы) «залечивают» повреждения. Двойной же разрыв, когда молекула ДНК физически разделена на два отдельных фрагмента, становится для ДНК гибельным, необратимым.
ПЕРЕВЁРТЫШИ-ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
В ДНК животных на каждый ген приходится отрезок молекулы из 1000-3000 пар нуклеотидов. Такой же размер должна, очевидно, иметь информационная, или матричная, РНК (мРНК), считываемая с гена. И в цитоплазме клетки, в комплексе с рибосомами, где идёт синтез белка, у неё действительно такой размер. Но в ядре мы обнаруживаем мРНК в составе очень длинных молекул - предшественниц, называемых про-мРНК. Почти вся эта про-мРНК «лишняя», потому что она вскоре распадается, и нетронутой остается только её главная часть - мРНК. Конечно, «лишняя» РНК на самом деле нужна. Она содержит участки-регуляторы, от которых зависит согласованное включение и выключение синтеза мРНК.
В лаборатории члена-корреспондента АН СССР
Г. П. Георгиева в Институте молекулярной биологии АН СССР, где исследуются молекулы про-мРНК, обнаружили, что регуляторная часть этих молекул содержит перевёртыши-шпильки по крайней мере двух типов.
Шпильки первого типа довольно большие, по 100-200 пар оснований, у второго типа - около 20 пар оснований. Между прочим, чтобы их обнаружить, не потребовалось расшифровывать последовательность про-мРНК. Перевёртыши быстро образуют спирали-шпильки, закручиваясь «сами на себя». Если разорвать РНК на кусочки, то спиральные участки легко отделяются от остальной, неспирализованной РНК.
Как шпильки участвуют а процессах регуляции, пока неясно. Возможно они нужны на самом деле не в РНК, а в ДНК, с которой копируются. И там, в ДНК, на перевёртышах как раз, может быть, и регулируется синтез РНК.
И В ДНК ШПИЛЬКИ?
У микроорганизмов молекулярные перевёртыши, с которыми взаимодействуют белки-регуляторы, хорошо изучены. Один из них - особый участок в ДНК кишечной палочки - управляет генами, ведающими усвоением лактозы. Заняв этот участок, называемый оператором, репрессор в нужный момент прекращает копирование целой группы генов. На рис. 2 изображён расшифрованный оператор. Надо признать, что это несовершенный перевёртыш.
Если его нити складывать пополам, в шпильки, то только буквы коричневого цвета окажутся комплементарными друг другу. На рис. 3 этот участок ДНК так и изображён в виде двух не вполне совершенных шпилек.
У бактериофага λ в ДНК тоже есть участки, на которые избирательно садятся белки-регуляторы. Один из таких участков, оператор, тоже изображён в виде двух шпилек на рис. 4.
Спиральные двунитевые шпильки таких размеров, как на рис. 3 и 4, очень нестабильны и легко расплетаются, бомбардируемые молекулами воды. Их реальное существование поэтому крайне сомнительно. Однако вот какое неожиданное наблюдение сделали Харди Чэн и
Роберт Уэллс из Висконсинского университета (США).
Есть ферменты, нуклеазы, которые расщепляют только однонитевые участки в ДНК, например петли на вершинах шпилек. Другие нуклеазы разрывают ДНК всюду. И оказалось, что именно после обработки нуклеазами первого типа оператор (см. рис. 3) теряет способность связываться с репрессорами. При этом, должно быть, нуклеазы разрывают петлевидные участки в шпильках и оператор выходит из строя. Это пока первое свидетельство в пользу существования шпилькообразных структур в ДНК.
Регуляторные участки в ДНК, которые служат для включения и выключения синтеза РНК, должны узнаваться определёнными белками. Узнают ли эти белки именно шпильки или, подобно рестриктазам саму последовательность нуклеотидов - это вопрос для дальнейших исследований. Но несомненно, что для узнавания нуклеиновой кислоты белком важны именно последовательности-перевёртыши.
ВСЯ В ШПИЛЬКАХ
О другом расшифрованном нуклеиновом тексте, который не несёт информации ни о каком белке, рассказано в
№ 8 «Химии и жизни» за прошлый год. Это мини-РНК, первоначально - РНК фага Qβ, синтезируемая в пробирке. Для её размножения требуется только добавляемый извне копирующий фермент, РНК-матрица да строительный материал. После многократных пересевов из пробирки в пробирку эта РНК постепенно потеряла все лишние нуклеотиды. Не осталось ни одного из трёх генов фага, которые в ней сначала были. Остался только кусочек, который узнается ферментом и копируется им, и лишь в этом смысл «жизни» мини- РНК. Посмотрите: вся эта РНК (она изображена на рис. 5), кроме нескольких кусочков, построена из шпилек. Этот изящный набор нуклеиновых перевёртышей вполне подошёл бы для эпиграфа к нашей статье, если бы мы знали, каков смысл всей этой последовательности из 218 букв.
Впрочем, кое-что мы всё-таки знаем. Самая первая шпилька (на рисунке - внизу) и по размерам, и по набору нуклеотидов почти не отличается от такой же концевой шпильки в природной РНК, с которой началась эволюция в пробирке. Этот элемент структуры, следовательно, важен для узнавания копирующим ферментом. Для чего все остальные шпильки в мини-РНК - пока неясно. При эволюции РНК в пробирке они не только не утрачиваются, но и увеличиваются в размерах. В этом убедился Сол Спигелмен (Колумбийский университет, США), наблюдая, какие изменения постепенно происходят в этой РНК. Оказалось, что некоторые нуклеотиды в ней заменяются на другие, но замены не касаются спиральных участков. Более того, одна из четырёх таких замен добавила к одной из шпилек новую пару нуклеотидов.
ГЕНЫ-ПЕРЕВЁРТЫШИ
Лучший способ поиска перевёртышей как в РНК, так и в ДНК - выявление очень быстро спирализующихся фракций. Чарлза Томаса (Гарвардская школа медицины в Бостоне, США), решившего таким способом убедиться, что в ДНК, как и в её копии - РНК, есть обратимые последовательности, ожидал поразительный эффект. Спиральные шпильки образовывали не какие-нибудь кусочки из 20-100 нуклеотидов, а огромные отрезки ДНК в 2000-4000 нуклеотидов, хорошо видные под электронным микроскопом. По размерам это целый ген или даже два. Исследование Томаса показывает, что в ДНК плодовой мушки, мыши, человека есть огромных размеров перевёртыши, целые двойники-гены, записанные и считываемые навстречу друг другу. Для чего они нужны? Мы знаем, что некоторые отрезки ДНК в бактериях или фагах считываются в обратном направлении. Попадается и по два одинаковых гена в одной молекуле ДНК. Но зачем два одинаковых и повёрнутых навстречу друг другу?
Заметьте, читатель, что мы задаем этот вопрос всерьёз. Речь идёт не о нелепице вроде «надо меч в чемодан». Нуклеиновые перевёртыши слишком часто встречаются, чтобы быть просто случайным курьёзом. И описанные выше примеры заставляют размышлять о них как о научной проблеме. Нуклеиновые перевёртыши - это и значительно, и, согласитесь, красиво, как стихи Кирсанова:
Хорошо. Шорох.
Утро во рту.
И клей ёлки
Течёт.