Голландские учёные обнаружили в ДНК новый способ кодирования информации
Биофизики из Лейденского университета обнаружили, что позиции нуклеосом — "бусин", вокруг которых накручивается молекула ДНК, — определяются особым дополнительным кодом в самой же ДНК. При этом мутации, которые, согласно классическим представлениям генетиков, являются "молчащими" (то есть не меняют аминокислотную последовательность белков), на самом деле могут проявляться в виде изменения позиции нуклеосом. Работа опубликована в журнале PLOS One.
Подавляющее большинство клеток человеческого организма содержит 46 хромосом, суммарная длина которых составляет приблизительно два метра. Средний размер клетки примерно в 100 тысяч раз меньше. Чтобы уместить весь запас генетического материала в объёме нескольких десятков микрометров, природой разработан механизм компактизации ДНК, который заключается в наматывании двойной спирали на особые белковые комплексы — нуклеосомы. Нуклеосомы можно представить в виде "бусин". Нить ДНК огибает одну "бусину" за другой, в результате линейные размеры ДНК многократно уменьшаются.
В качестве основного инструмента исследования учёные выбрали методы компьютерного моделирования. За основу была взята общепринятая модель нуклеосомы, согласно которой 147 пар нуклеотидов ДНК образуют 1,75 витка вокруг каждой "бусины". Пары нуклеотидов — элементарных кирпичиков генетической информации (А-Т, Г-Ц) располагаются стопкой друг над другом. Пространственное положение (конформация) каждой отдельно взятой пары неизменно, тогда как положение последовательных пар относительно друг друга может варьировать. Тем не менее не все возможные положения пар равновероятны. Чаще других будут встречаться те конформации, на образование которых требуется затратить меньшее количество энергии.
Проанализировав различные конформации для десяти миллионов последовательностей ДНК, учёные пришли к выводу, что существует связь между позицией в ДНК относительно нуклеосомы и нуклеотидным составом в данном месте. Иными словами, места связывания нуклеосом с двойной спиралью не случайны, а определяются записанным в ДНК "текстом".
"Тексты" ДНК можно расшифровывать согласно классическому генетическому коду. В тех генах, в которых закодированы белки, каждые три нуклеотида ДНК (триплет) соответствуют одной аминокислоте. Всего существует 20 аминокислот и 61 вариант "смысловых" триплетов. Соответственно, одна и та же аминокислота может быть закодирована разными, синонимичными триплетами. Ранее считалось, что мутации, ведущие к возникновению синонимичных триплетов, не сказываются на фенотипе клетки — её индивидуальных характеристиках в зрелом состоянии.
Обнаруженное голландскими учёными явление — дополнительный слой записанной в ДНК информации об упаковке молекулы — заставило по-новому взглянуть на синонимичные замены. Исследователи снова применили компьютерное моделирование, но на этот раз оценивали энергетические затраты на компактизацию ДНК при введении синонимичных замен.
Оказалось, что вводя синонимичные замены можно добиться снижения энергетических затрат, а следовательно, повысить вероятность связывания нуклеосом даже в тех местах, в которых изначально такое связывание было крайне невыгодным. Таким образом, не исключено, что эволюция белков и эволюция расположения особых мест для связывания нуклеосом — два независимых параллельных процесса. Первый происходит за счёт мутаций в ДНК, обуславливающих замену одной аминокислоты на другую, а второй — за счёт использования различных синонимичных триплетов.
Авторы исследования выдвигают смелую теорию о том, что наблюдаемые позиции нуклеосом есть результат механической эволюции молекул ДНК. Пока что это всего лишь предположение, и делать далеко идущие выводы рано. Но если накопится достаточное количество подтверждающих фактов, неизбежно возникнет вопрос, почему сдвиги нуклеосом могли быть эволюционно выгодными? Клетки нашего организма содержат одинаковый набор ДНК, но выглядят по-разному. У нас есть руки, ноги, глаза и другие части тела потому, что в клетках работают не все гены одновременно, а только некоторые из них. Включение и выключение генов определяется несколькими механизмами, в том числе навешиванием определённых меток на нуклеосомы. Возможно, расположение нуклеосом — это ещё один механизм, регулирующий работу генов.