Геометрия ДНК оказалась значительно сложнее «двойной спирали»

ДНК скручивается не только в известную всем по учебникам биологии двойную спираль — эта макромолекула способна принимать самые фантастические формы, выяснили биологи. Новое исследование представлено в журнале Nature Communications.

Хрестоматийная двойная спираль, которую Джеймс Уотсон и Френсис Крик представили в своей работе по структуре ДНК в 1953 году, соответствует лишь небольшому участку макромолекулы, выяснили авторы нового исследования. «Уотсон и Крик смотрели лишь на один поворот спирали — всего 12 пар оснований нуклеиновых кислот», — отметила соавтор статьи Сара Харрис (Sarah Harris).

Однако ДНК состоит из примерно трех миллиардов пар оснований, и целый метр генетической информации должен уместиться внутри клетки, диаметр которой не превышает десяти микрон. Чтобы втиснуться в ядро клетки, молекула ДНК должна быть точно и тесно скручена.

Чтобы разобраться в этом процессе, ученые воссоздали молекулы ДНК в лаборатории. Поскольку отдельные нити ДНК не скручиваются, исследователям пришлось с большим трудом скручивать и раскручивать спираль, виток за витком, используя короткие круглые фрагменты, состоящие из тысяч пар оснований.

В итоге взору ученых предстало множество причудливых форм. «Некоторые витки обладали острыми углами, некоторые напоминали восьмерки, наручники, ракетки или даже швейные иглы. Некоторые в результате многочисленных закруток становились похожи на палочки», — рассказала ведущий автор статьи Росица Иробалиева (Rossitza Irobalieva).

Чтобы выяснить, как такие петли с генетическим кодом ведут себя в реальном времени, ученые выделили чистые препараты кольцевой ДНК с разной степенью скрученности, заморозили их и составили трехмерные модели этих фрагментов.

Компьютерное моделирование показало, что даже мостики пар оснований, придающие спирали ДНК ее структуру, иногда разрываются. Речь идет о мостиках между комплементарными основаниями (аденином и гуанином, например). При скручивании и раскручивании спирали эти мостики нередко распадаются. Этот феномен и позволяет ДНК сгибаться, чтобы уместиться на ограниченной площади клеточного ядра.

Исследование необычных форм ДНК имеет и практическую пользу: ученые смогут лучше понять работу препаратов, взаимодействующих с этой молекулой. Дело в том, что эффективность лекарств зависит от того, как их молекулы узнают определенную структуру внутри клеток организма (подобно тому, как ключ подходит к замку).