Область молекулярной биологии возникла, когда ученые попытались ответить на простой вопрос: какие молекулы составляют генетический материал организма?
В начале 1900-х годов, когда эта область была в зачаточном состоянии, существовало два возможных кандидата: нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. В то время белки были предпочтительными кандидатами благодаря разнообразию их строительных блоков. Все белки (на Земле) состоят из некоторой комбинации 20 аминокислот. С другой стороны, нуклеиновые кислоты состоят всего из четырех нуклеотидов, что приводит к меньшему количеству молекулярных комбинаций, чем, по мнению ученых, необходимо для носителей наследственности.
В 1944 году трое учёных, Освальд Эйвери, Колин МакЛауд и Маклин Маккарти, показали, что когда вы разрушаете белки и РНК в некоторых патогенных бактериях, что-то всё равно остаётся — и что смешивание этого загадочного вещества с непатогенными бактериями может «превратить» их в патогенные.
Но когда вы специально повреждаете ДНК, изменений не происходит.
Центральная догма
Последний гвоздь в гроб белков был забит в 1952 году, когда Альфред Херши и Марта Чейз использовали бактериофаги — вирусы, которые заражают бактерии — и показали, что если пометить ДНК фага радиоактивным фосфором, а его белки содержат серу, то внутри инфицированных фагом бактерий можно обнаружить фосфор, но не серу. Фосфор присутствует даже в более поздних поколениях фагов, вырабатываемых инфицированными бактериями, что указывает на то, что ДНК является генетическим материалом.
Вскоре после этого Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили двойную спиральную структуру ДНК, и их модель также объяснила, как одну спиральную цепь можно использовать в качестве матрицы для синтеза другой.
Однако поиск ответа на фундаментальный вопрос молекулярной биологии открыл ящик Пандоры новых вопросов. Один из этих вопросов заключается в том, как химическая информация в ДНК используется для создания белков. В то время ученые знали, что белки являются основной рабочей лошадкой клетки и выполняют все клеточные задачи. Однако они не знают, как клетка производит белки на основе инструкций ДНК.
В 1958 году Фрэнсис Крик с выдающимся видением предложил то, что он назвал «центральной догмой» молекулярной биологии. В журнальной статье Симпозиумы Общества экспериментальной биологииКрик писал, что «как только «информация» передана в белок, она уже никогда не сможет выйти обратно». Далее он объяснил, что основной принцип, лежащий в основе центральной догмы, заключается в том, что «перенос информации от нуклеиновой кислоты к нуклеиновой кислоте или от нуклеиновой кислоты к белку может быть возможен, но передача от белка к белку или от белка к нуклеиновой кислоте невозможна».
Крик использовал общий термин для ДНК и РНК вместе, то есть нуклеиновая кислота, а не просто ДНК, поскольку в то время ученые знали, что некоторые вирусы используют РНК в качестве генетического материала. Во всех других формах жизни РНК имеет другое предназначение.
Беспроигрышное правило
Сегодня мы знаем, что клетки используют информацию, содержащуюся в ДНК, для создания молекулы-мессенджера, называемой мРНК, которая затем служит для клетки инструкцией по выработке белков. мРНК — это временный промежуточный продукт: клетка может прекратить ее выработку, когда это необходимо, и она может разложиться, если ей необходимо прекратить выработку белка. Таким образом, клетка сохраняет инструкции в ДНК, копирует ДНК в РНК и производит белок из РНК.
Но когда Крик предложил центральную догму, ученые не до конца поняли роль мРНК. Последовательность перехода ДНК в РНК и в белок была объяснена только в 1961 году, и сама эта последовательность стала известна как центральная догма молекулярной биологии.
Но морщина появилась в 1970 году. Американские биологи Говард Темин и Дэвид Балтимор сообщили об открытии ретровирусов — нового семейства вирусов, которые использовали РНК в качестве генетического материала, но затем делали копию своей ДНК с помощью фермента, называемого обратной транскриптазой, а затем смешивали эту ДНК с ДНК хозяина. Вирусы продолжают последовательность «ДНК-РНК-белок». Однако отправной точкой является РНК, и технически информация течет обратно по последовательности, прежде чем она пойдет обычным путем, что, как говорят, нарушает центральную догму.
Открытие вызвало серьезные споры в научном сообществе, и исследователи опубликовали несколько статей на тему того, как была нарушена центральная догма. Несколько недель спустя Крик сам написал еще одну статью, в которой более подробно объяснил, почему его принципы по-прежнему сохраняют свою силу в качестве центральной догмы и как даже в своей оригинальной статье 1958 года он не исключал передачу информации внутри нуклеиновых кислот. Он подчеркнул, что для того, чтобы сломать центральную догму, необходимо найти информацию, которая передается от белков к белкам или от белков обратно к одной из нуклеиновых кислот, то есть ДНК или РНК. Это заслуживающий доверия аргумент.
Таким образом, в течение 69 лет центральная догма Крика оставалась неоспоримой. Были некоторые интересные отклонения, но ничего, что полностью нарушало бы правило.
Новый механизм
Однако теперь в журналах появились две новые статьи. Клетка и Наука сообщили об открытии нового семейства бактериальных обратных транскриптаз. Эти ферменты направляют клетки на синтез молекулы ДНК без матрицы. По сути, обратные транскриптазы используют молекулу РНК в качестве матрицы и создают ее копию ДНК. Но новые исследования показывают, что эти специфические бактериальные обратные транскриптазы могут синтезировать ДНК без какой-либо матрицы. Вместо этого сам фермент предоставил информацию, необходимую для определения последовательности вырабатываемой им ДНК.
Эти ферменты принадлежат к классу, называемому обратными транскриптазами, связанными с защитой (DRT). Эти ферменты помогают бактериям бороться с бактериофагами, производя необычные молекулы ДНК, которые запускают защитные механизмы, предотвращая успешную репликацию вторгшегося фага. Существует несколько способов, с помощью которых ДНК, продуцируемая DRT, останавливает фаговую инфекцию. Некоторые мешают важным белкам фага. Некоторые активируют другие системы защиты бактерий. Другие заставляют инфицированную клетку закрываться, прежде чем фаг сможет размножиться и распространиться.
Новое семейство, названное DRT3, описанное в этих двух статьях, использует новый механизм для достижения конечного результата. Согласно документам, DRT3 содержит два фермента — DRT3a и DRT3b, которые вместе создают две цепи молекулы ДНК.
Когда эта ДНК накапливается внутри бактериальной клетки, она заставляет клетку отключаться и переходить в состояние покоя, не давая фагу завершить репликацию. В нормальных условиях бактерия держит эту систему под контролем, используя отдельный набор ферментов, которые действуют как тормоза. Но когда фаг заражает клетку, он вырабатывает белки, которые ингибируют эти тормоза, вызывая накопление ДНК, вырабатываемой DRT3, разрушая бактериальную клетку и предотвращая распространение фага.
В течение семи десятилетий центральная догма, постулированная Фрэнсисом Криком (1916–2004), оставалась неоспоримой. | Фото предоставлено: Марк Либерман (CC BY)
В молекулярной биологии нет прецедентов
Но самый интригующий аспект в статьях — то, как система DRT3 создала две цепи ДНК. DRT3a создает первую цепь ДНК, используя бактериальную молекулу РНК в качестве матрицы, как это обычно делают обратные транскриптазы. Но второй фермент, DRT3b, создает вторую цепь без использования какой-либо матрицы. Вместо этого сам белок диктует последовательность нуклеотидов, определяющих последовательность ДНК.
Интересно, что ферменты, способные создавать ДНК без матрицы, не новы в молекулярной биологии. Примером является терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза, которая добавляет нуклеотиды к концам ДНК без использования матрицы. Но трансфераза не добавляет нуклеотиды в каком-то определенном порядке: если смешать ее со всеми четырьмя нуклеотидами, составляющими ДНК, в пробирке, трансфераза будет каждый раз генерировать новую последовательность.
В этом отношении DRT3b особенно отличается. Хотя он также производит ДНК без матрицы нуклеиновой кислоты, он не создает случайную последовательность. Сам белок диктует, какой нуклеотид будет добавлен следующим, образуя упорядоченную последовательность из двух чередующихся нуклеотидов цитозина (С) и аденина (А), т.е. CACACACA… Несмотря на простоту двух пар оснований, которые являются повторяющимися продуктами фермента, идея белка, который может производить определенную последовательность ДНК без матрицы нуклеиновой кислоты, является беспрецедентной в молекулярной биологии.
Открытие белка, который мог сам по себе определять последовательность нуклеиновых кислот, вновь вызвало волнение в научном сообществе. Комментарии, сопровождающие работу, подчеркнули необычный характер открытия и его значение для одной из фундаментальных идей молекулярной биологии. Некоторые зашли так далеко, что предположили, что это открытие бросает вызов центральной догме, поскольку оно, по-видимому, показывает, что информация передается от белка обратно к нуклеиновой кислоте, а это, по мнению Фрэнсиса Крика, было невозможным.
Однако важно отметить, что, хотя исследование представляет собой важный концептуальный прогресс, оно никоим образом не опровергает центральную догму. Основной принцип центральной догмы касается информации, теряемой при передаче от нуклеиновой кислоты к белку. То есть, когда клетка вырабатывает белок, аминокислотная последовательность белка не будет содержать достаточно информации, чтобы клетка могла восстановить последовательность ДНК, из которой он произошел. Это связано с тем, что существует множество различных последовательностей ДНК, которые могут кодировать одну и ту же последовательность белка.
DRT3b также не нарушает этот основной принцип, регулирующий потерю информации. В лучшем случае, он кладет палец на черту; оно не пересекается. Но это прекрасно иллюстрирует одну мысль: природа гораздо более креативна, чем правила, которые мы используем для ее описания.
Арун Панчапакесан — доцент Центра исследований и образования в области СПИДа им. Р. Гайтонде, Ченнаи.
