Можно ли дополнить генетический алфавит?

Выяснено, как могут сочетаться в двуспиральной ДНК неканонические искусственные азотистые основания.

Генетический алфавит состоит из четырёх букв — А, Т, Г, Ц, которые соответствуют четырём азотистым основаниям. Водородные силы между парами комплементарных азотистых оснований держат вместе две нити спирали ДНК. Но четыре основания, по-видимому, не предел. По мнению исследователей из Института Скриппса (США), генетический алфавит может быть дополнен новыми буквами, не нарушая при этом биологических функций ДНК.

В лаборатории Флойда Ромесберга давно колдуют над новыми азотистыми основаниями, которые можно было бы встроить в ДНК. В 2008 году здесь удалось получить такие дополнительные буквы, названные NaM и 5SICS, которые в двуспиральной ДНК стояли друг против друга и могли реплицироваться при удвоении цепей молекулы и синтезе РНК на ДНК-шаблоне. Но при этом исследователи не могли понять, почему новые искусственные основания удерживаются в ДНК. Их обнаружили, проверяя всевозможные нуклеотид-подобные молекулы на способность участвовать в процессах транскрипции и репликации. И сразу же было замечено, что, несмотря на свою эффективность, NaM и 5SICS не могут образовывать между собой те связи, которые держат классические пары генетических букв.

Уотсон-криковские взаимодействия между аденином и тимином, гуанином и цитозином долгое время считались абсолютно необходимыми для поддержания структуры ДНК. Учёные полагали, что именно такие взаимодействия направляют работу ферментов, удваивающих ДНК; без того просто невозможно было бы построить комплементарную цепь. Между тем новые искусственные основания, NaM и 5SICS, соединялись друг с другом хоть и попарно, но совершенно иным образом: одна молекула накрывала другую, и параметры взаимодействий не были жёстко фиксированы и явно отличались от канонических. Как в таком случае мог с ними работать фермент? Наткнувшись на NaM или 5SICS, ДНК-полимераза просто не знала бы, какое основание поставить ему в пару.

В статье, опубликованной в журнале Nature Chemical Biology, исследователи рассказывают о том, что они увидели, когда попытались поближе рассмотреть комплекс фермента с нестандартной генетической буквой. Оказалось, что в активном центре фермента искусственные основания NaM и 5SICS становятся в ту позицию, которая предписана всем прочим, каноническим парам. Так что фермент может однозначно сопоставить одному неканоническому основанию другое — так же, как Т ставится в пару А, а Г — в пару Ц. По словам авторов работы, искусственные буквы удерживаются вместе гидрофобными взаимодействиями, которые и позволяют известные «вольности» во взаимном расположении молекул-напарников. Будь связи между ними более жёсткими и негибкими, они не смогли бы адаптироваться к требованиям ферментов, работающих с ДНК.

Всё это наводит на мысль, что четыре генетические буквы — это не предел и что вообще эволюционный выбор четвёрки А, Т, Г, Ц мог быть случаен. То есть жизнь теоретически может опираться на иные генетические системы; не исключено, что в будущем генетический код сам по себе может расшириться за счёт включения в него новых букв. Пока же исследователи собираются найти практическое применение своим результатам: например, в получении ДНК-подобных структур, которые подавляли бы активность каких-нибудь белков и вирусов.

Подготовлено по материалам Института Скриппса.