Почему спираль молекулы днк двойная это уменьшает вероятность ошибки при транскрипции днк

ДНК и гены

ДНК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ

Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года

Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения

Содержание страницы:

• Дезоксирибонуклеиновая кислота
• Строение нуклеиновых кислот
• Репликация
• Строение РНК
• Транскрипция
• Трансляция
• Генетический код
• Геном: гены и хромосомы
• Прокариоты
• Эукариоты
• Строение генов
• Строение генов прокариот
• Строение генов эукариот
• Сравнение строения генов
• Мутации и мутагенез
• Генные мутации
• Хромосомные мутации
• Геномные мутации
• Видео по теме ДНК
• Дополнительный материал

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение. ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни как человека, так и любого др. организхма. Искусственное или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С) и фосфатной (Ф) группы (фосфодиэфирные связи).

Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т), гуанин — только с цитозином (Г-Ц). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой «лестницы» ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).

Рис. 2. Азотистые основания

Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.

Рис. 3. Репликация ДНК

Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.

Образование новой ДНК (репликация)

1. Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной.
2. Двойная спираль «расстегивается» на две ветви, когда ферменты разрушают связь между базовыми парами химических соединений.
3. Каждая ветвь является элементом новой ДНК. Новые базовые пары соединяются в той же последовательности, что и в родительской ветви.

По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.

Более подробная информация:

СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Рис. 4 . Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты – это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.

НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) – дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H₂PO₃–).

Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания – урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания – аденин и гуанин.

Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые

---

Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:

Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК

Две цепи ДНК образуют двойную спираль. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин – с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности).

Правило комплементарности:

Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность

3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,

то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении – от 5’-конца к 3’-концу:

5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’.

Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

Репликация ДНК – это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент РНК (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).

Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.

Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК

ДНК-синтез – это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:

1) ДНК-топоизомераза, располагаясь перед вилкой репликации, разрезает ДНК для того, чтобы облегчить ее расплетание и раскручивание.
2) ДНК-хеликаза вслед за топоизомеразой влияет на процесс «расплетения» спирали ДНК.
3) ДНК-связывающие белки осуществляют связывание нитей ДНК, а также проводят их стабилизацию, не допуская их прилипания друг к другу.
4) ДНК-полимераза δ (дельта), согласовано со скоростью движения репликативной вилки, осуществляет синтез ведущей цепи дочерней ДНК в направлении 5’→3′ на матрице материнской нити ДНК по направлению от ее 3′-конца к 5′-концу (скорость до 100 пар нуклеотидов в секунду). Этим события на данной материнской нити ДНК ограничиваются.

Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ (Polδ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.

---

 Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)

Нагляднее о репликации ДНК см. видео →

5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5’→3′ синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК. 

Вместо ДНК-полимеразы α к 3′-концу праймера присоединяется ДНК-полимераза ε.

6) ДНК-полимераза ε (эпсилон) как бы продолжает удлинять праймер, но в качестве субстрата встраивает дезоксирибонуклеотиды (в количестве 150-200 нуклеотидов). В результате образуется цельная нить из двух частей – РНК (т.е. праймер) и ДНК. ДНК-полимераза ε работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего фрагмента Оказаки (синтезированный чуть ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи.

7) ДНК-полимераза β (бета) встает вместо ДНК-полимеразы ε, движется в том же направлении (5’→3′) и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, т.е. пока на его пути не встанет дезоксирибонуклеотид (еще более ранее синтезированный ДНК-полимеразой ε). Связать результат свой работы и впереди стоящую ДНК фермент не в состоянии, поэтому он сходит с цепи. 

В результате на матрице материнской нити «лежит» фрагмент дочерней ДНК. Он называется фрагмент Оказаки.

ДНК-лигаза производит сшивку двух соседних фрагментов Оказаки, т.е. 5′-конца отрезка, синтезированного ДНК-полимеразой ε, и 3′-конца цепи, встроенного ДНК-полимеразой β.

СТРОЕНИЕ РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Однако в отличие от ДНК, РНК обычно имеет не две цепи, а одну. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (у рибозы присутствует дополнительная гидроксильная группа на втором атоме углевода). Наконец, ДНК отличается от РНК по составу азотистых оснований: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами.

Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Рис. 10.  Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Транскрипция – это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК – эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ – 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.

Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции

Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи

3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,

то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность

5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’,

а синтезируемая с нее РНК – последовательность

3’– AUGUCCUAGCUGCUCG – 5’.

ТРАНСЛЯЦИЯ

Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:

В представленном видоролике (кнопка-ссылка слева) показан процесс образования белка из аминокислот. Наглядно (в анимированном варианте) продемонстрированы процессы транскрипции и трансляции. Биосинтез белка на рибосоме также кратко описан в разделе Аминокислоты белков. Более подробное видео о геноме, ДНК и ее структуре, а также процессах кодировки представленно ниже на данной странице: Видео по теме ДНК

Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок

Трансляция — это процесс, посредством которого генетическая информация преобразуется в белки, рабочие лошадки клетки. Небольшие молекулы, называемые переносными РНК («тРНК»), играют решающую роль в трансляции; они являются молекулами-адаптерами, которые соответствуют кодонам (строительным блокам генетической информации) с аминокислотами (строительными блоками белков). Организмы несут множество типов тРНК, каждая из которых кодируется одним или несколькими генами («набор генов тРНК»).

Вообще говоря, функция набора генов тРНК — переводить 61 тип кодонов в 20 различных типов аминокислот — сохраняется в разных организмах. Тем не менее, состав набора генов тРНК может значительно варьировать между организмами.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Генетический код — способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов — кодоном или триплетом.

Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.

Таблица 1. Стандартный генетический код

1-е основа ние	2-е основание	3-е основа ние
U	C	A	G
U	UUU	Фенилаланин (Phe/F)	UCU	Серин (Ser/S)	UAU	Тирозин (Tyr/Y)	UGU	Цистеин (Cys/C)	U
UUC	UCC	UAC	UGC	C
UUA	Лейцин (Leu/L)	UCA	UAA	Стоп-кодон**	UGA	Стоп-кодон**	A
UUG	UCG	UAG	Стоп-кодон**	UGG	Триптофан (Trp/W)	G
C	CUU	CCU	Пролин (Pro/P)	CAU	Гистидин (His/H)	CGU	Аргинин (Arg/R)	U
CUC	CCC	CAC	CGC	C
CUA	CCA	CAA	Глутамин (Gln/Q)	CGA	A
CUG	CCG	CAG	CGG	G
A	AUU	Изолейцин (Ile/I)	ACU	Треонин (Thr/T)	AAU	Аспарагин (Asn/N)	AGU	Серин (Ser/S)	U
AUC	ACC	AAC	AGC	C
AUA	ACA	AAA	Лизин (Lys/K)	AGA	Аргинин (Arg/R)	A
AUG	Метионин* (Met/M)	ACG	AAG	AGG	G
G	GUU	Валин (Val/V)	GCU	Аланин (Ala/A)	GAU	Аспарагиновая кислота (Asp/D)	GGU	Глицин (Gly/G)	U
GUC	GCC	GAC	GGC	C
GUA	GCA	GAA	Глутаминовая кислота (Glu/E)	GGA	A
GUG	GCG	GAG	GGG	G

Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:

• *Триплет AUG, также кодирующий метионин, называется старт-кодоном. С этого кодона начинается синтез молекулы белка. Таким образом, во время синтеза белка, первой аминокислотой в последовательности всегда будет метионин.

• **Триплеты UAA, UAG и UGA называются стоп-кодонами и не кодируют ни одной аминокислоты. На этих последовательностях синтез белка прекращается.

Свойства генетического кода

1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом или кодоном.

2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.

4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.

5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.

6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.

Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:

3’– CCGATTGCACGTCGATCGTATA– 5’.

Матричная цепь будет иметь последовательность:

5’– GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT– 3’.

Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:

3’– CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA– 5’.

Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:

5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.

Теперь найдем старт-кодон AUG:

5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.

Разделим последовательность на триплеты:

Найдем стоп-кодон и согласно таблице генетического кода запишем последовательность аминокислот:

Центральная догма молекулярной биологии звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК – на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.

Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии

ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ

(общие понятия)

Геном — совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.

Термин «геном» был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.

Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК

За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.

Рис. 14. Соответствие между кодирующими участками ДНК, мРНК и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.

На рис. 14 показана схема того, как триплеты нуклеотидов в ДНК определяют полипептид —  аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками(так называемыми интронами).

Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.

Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.

Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350  аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.

Сколько генов в одной хромосоме?

 ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.

Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру – нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.

Прокариоты (Бактерии).

Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).

Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.

См. также: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972–984.

Эукариоты.

Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов

	Общая ДНК, п.н.	Число хромосом*	Примерное число генов
Escherichia coli (бактерия)	4 639 675	1	4 435
Saccharomyces cerevisiae (дрожжи)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans (нематода)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana (растение)	119 186 200	10	33 000
Drosophila melanogaster (плодовая мушка)	120 367 260	18	20 000
Oryza sativa (рис)	480 000 000	24	57 000
Mus musculus (мышь)	2 634 266 500	40	27 000
Homo sapiens (человек)	3 070 128 600	46	29 000

Примечание. Информация постоянно обновляется; для получения более свежей информации обратитесь к сайтам, посвященным отдельным геномным проектам

*Для всех эукариот, кроме дрожжей, приводится диплоидный набор хромосом. Диплоидный набор хромосом (от греч. diploos- двойной и eidos- вид) – двойной набор хромосом (2n), каждая из которых имеет себе гомологичную.
**Гаплоидный набор. Дикие штаммы дрожжей обычно имеют восемь (октаплоидный) или больше наборов таких хромосом.
***Для самок с двумя Х хромосомами. У самцов есть Х хромосома, но нет Y, т. е. всего 11 хромосом.

---

В клетке дрожжей, одних из самых маленьких эукариот, в 2,6 раза больше ДНК, чем в клетке E. coli (табл. 2). Клетки плодовой мушки Drosophila, классического объекта генетических исследований, содержат в 35 раз больше ДНК, а клетки человека — примерно в 700 раз больше ДНК, чем клетки E. coli. Многие растения и амфибии содержат еще больше ДНК. Генетический материал клеток эукариот организован в виде хромосом. Диплоидный набор хромосом (2n) зависит от вида организма (табл. 2).

Например, в соматической клетке человека 46 хромосом (рис. 17). Каждая хромосома эукариотической клетки, как показано на рис. 17, а, содержит одну очень крупную двухспиральную молекулу ДНК. Двадцать четыре хромосомы человека (22 парные хромосомы и две половые хромосомы X и Y)  различаются по длине более чем в 25 раз. Каждая хромосома эукариот содержит определенный набор генов.

Рис. 17. Хромосомы эукариот. а — пара связанных и конденсированных сестринских хроматид из хромосомы человека. В такой форме эукариотические хромосомы пребывают после репликации и в метафазе в процессе митоза. б — полный набор хромосом из лейкоцита одного из авторов книги. В каждой нормальной соматической клетке человека содержится 46 хромосом.

---

Размер и функция ДНК как матрицы для хранения и передачи наследственного материала объясняют наличие особых структурных элементов в организации этой молекулы. У высших организмов ДНК распределена между хромосомами.

Совокупность ДНК (хромосом) организма называется геномом. Хромосомы находятся в клеточном ядре и формируют структуру, называемую хроматином. Хроматин представляет собой комплекс ДНК и основных белков (гистонов) в соотношении 1:1. Длину ДНК обычно измеряют числом пар комплементарных нуклеотидов (п.н.). Например, 3-я хромосома человека представляет собой молекулу ДНК размером 160 млн п.н.. Выделенная линеаризованная ДНК размером 3*10⁶ п.н. имеет длину примерно 1 мм, следовательно, линеаризованная молекула 3-й хромосомы человека была бы 5 мм в длину, а ДНК всех 23 хромосом (~3*10⁹ п.н., MR = 1,8*10¹²) гаплоидной клетки – яйцеклетки или сперматозоида – в линеаризованном виде составляла бы 1 м. За исключением половых клеток, все клетки организма человека (их около 1013) содержат двойной набор хромосом. При клеточном делении все 46 молекул ДНК реплицируются и снова организуются в 46 хромосом.

---

Если соединить между собой молекулы ДНК человеческого генома (22 хромосомы и хромосомы X и Y или Х и Х), получится последовательность длиной около одного метра. Прим.: У всех млекопитающих и других организмов с гетерогаметным мужским полом, у самок две X-хромосомы (XX), а у самцов — одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY).

Большинство клеток человека диплоидны, поэтому общая длина ДНК таких клеток около 2м. У взрослого человека примерно 10¹⁴ клеток, таким образом, общая длина всех молекул ДНК составляет 2・10¹¹ км. Для сравнения, окружность Земли — 4・10⁴ км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,5・10⁸ км. Вот как удивительно компактно упакована ДНК в наших клетках!

В клетках эукариот есть и другие органеллы, содержащие ДНК, — это митохондрии и хлоропласты. Выдвигалось множество гипотез относительно происхождения ДНК митохондрий и хлоропластов. Общепризнанная сегодня точка зрения заключается в том, что они представляют собой рудименты хромосом древних бактерий, которые проникли в цитоплазму хозяйских клеток и стали предшественниками этих органелл. Митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Более 95% митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК.

СТРОЕНИЕ ГЕНОВ

Рассмотрим строение гена у прокариот и эукариот, их сходства и различия. Несмотря на то, что ген — это участок ДНК, кодирующий всего один белок или РНК, кроме непосредственно кодирующей части, он также включает в себя регуляторные и иные структурные элементы, имеющие разное строение у прокариот и эукариот.

Кодирующая последовательность – основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодона и заканчивается стоп-кодоном.

До и после кодирующей последовательности находятся нетранслируемые 5’- и 3’-последовательности. Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например, обеспечивают посадку рибосомы на и-РНК.

Нетранслируемые и кодирующая последовательности составлют единицу транскрипции – транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез и-РНК.

Терминатор – нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.

В начале гена находится регуляторная область, включающая в себя промотор и оператор.

Промотор – последовательность, с которой связывается полимераза в процессе инициации транскрипции. Оператор – это область, с которой могут связываться специальные белки – репрессоры, которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена – иначе говоря, уменьшать его экспрессию.

Строение генов у прокариот

Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается – и те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями и терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается.

Рис. 18. Схема строения гена у прокариот (бактерий) — изображение увеличивается

В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула и-РНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков синтезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка.

Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу – оперон. Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона – регуляторы. Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор. Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся.

Для прокариот также характерно явление сопряжения транскрипции и трансляции.

Рис. 19 Явление сопряжения транскрипции и трансляции у прокариот — изображение увеличивается

Такое сопряжение не встречается у эукариот из-за наличия у них ядерной оболочки, отделяющей цитоплазму, где происходит трансляция, от генетического материала, на котором происходит транскрипция. У прокариот во время синтеза РНК на матрице ДНК с синтезируемой молекулой РНК может сразу связываться рибосома. Таким образом, трансляция начинается еще до завершения транскрипции. Более того, с одной молекулой РНК может одновременно связываться несколько рибосом, синтезируя сразу несколько молекул одного белка.

Строение генов у эукариот

Гены и хромосомы эукариот очень сложно организованы

У бактерий многих видов всего одна хромосома, и почти во всех случаях в каждой хромосоме присутствует по одной копии каждого гена. Лишь  немногие гены, например гены рРНК, содержатся в нескольких копиях. Гены и регуляторные последовательности составляют практически весь геном прокариот. Более того, почти каждый ген строго соответствует аминокислотной последовательности (или последовательности РНК), которую он кодирует (рис. 14).

Структурная и функциональная организация генов эукариот гораздо сложнее. Исследование хромосом эукариот, а позднее секвенирование полных последовательностей геномов эукариот принесло много сюрпризов. Многие, если не большинство, генов эукариот обладают интересной особенностью: их нуклеотидные последовательности содержат один или несколько участков ДНК, в которых не кодируется аминокислотная последовательность полипептидного продукта. Такие нетранслируемые вставки нарушают прямое соответствие между нуклеотидной последовательностью гена и аминокислотной последовательностью кодируемого полипептида. Эти нетранслируемые сегменты в составе генов называют интронами, или встроенными последовательностями, а кодирующие сегменты — экзонами. У прокариот лишь немногие гены содержат интроны.

Итак, у эукариот практически не встречается объединение генов в опероны, и кодирующая последовательность гена эукариот чаще всего разделена на транслируемые участки – экзоны, и нетранслируемые участки – интроны.

В большинстве случаев функция интронов не установлена. В целом, лишь около 1,5% ДНК человека являются ≪кодирующими≫, т. е. несут информацию о белках или РНК. Однако с учетом крупных интронов получается, что ДНК человека на 30% состоит из генов. Поскольку гены составляют относительно небольшую долю в геноме человека, значительная часть ДНК остается неучтенной.

Рис. 16. Схема строение гена у эукариот — изображение увеличивается

С каждого гена сначала синтезируется незрелая, или пре-РНК, которая содержит в себе как интроны, так и экзоны.

После этого проходит процесс сплайсинга, в результате которого интронные участки вырезаются, и образуется зрелая иРНК, с которой может быть синтезирован белок.

Рис. 20. Процесс альтернативного сплайсинга — изображение увеличивается

Такая организация генов позволяет, например, осуществить процесс альтернативного сплайсинга, когда с одного гена могут быть синтезированы разные формы белка, за счет того, что в процессе сплайсинга экзоны могут сшиваться в разных последовательностях.

Сравнение строения генов прокариот и эукариот

Рис. 21. Отличия в строении генов прокариот и эукариот — изображение увеличивается

МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗ

Мутацией называется стойкое изменение генотипа, то есть изменение нуклеотидной последовательности.

Процесс, который приводит к возникновению мутаций называется мутагенезом, а организм, все клетки которого несут одну и ту же мутацию — мутантом.

Мутационная теория была впервые сформулирована Гуго де Фризом в 1903 году. Современный ее вариант включает в себя следующие положения:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.

2. Мутации передаются из поколения в поколение.

3. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными, доминантными или рецессивными.

4. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.

5. Сходные мутации могут возникать повторно.

6. Мутации не направленны.

Мутации могут возникать под действием различных факторов. Различают мутации, возникшие под действием мутагенных воздействий: физических (например, ультрафиолета или радиации), химических (например, колхицина или активных форм кислорода) и биологических (например, вирусов). Также мутации могут быть вызваны ошибками репликации.

В зависимости от условий появления мутации подразделяют на спонтанные — то есть мутации, возникшие в нормальных условиях, и индуцированые — то есть мутации, которые возникли при особых условиях.

Мутации могут возникать не только в ядерной ДНК, но и, например, в ДНК митохондрий или пластид. Соответственно, мы можем выделять ядерные и цитоплазматические мутации.

В результате возникновения мутаций часто могут появляться новые аллели. Если мутантный аллель подавляет действие нормального, мутация называется доминантной. Если нормальный аллель подавляет мутантный, такая мутация называется рецессивной. Большинство мутаций, приводящих к возникновению новых аллелей являются рецессивными.

По эффекту выделяют мутации адаптивные, приводящие к повышению приспособленности организма к среде, нейтральные, не влияющие на выживаемость, вредные, понижающие приспособленность организмов к условиям среды и летальные, приводящие к смерти организма на ранних стадиях развития.

По последствиям выделяются мутации, приводящие к потери функции белка, мутации, приводящие к возникновению у белка новой функции, а также мутации, которые изменяют дозу гена, и, соответственно, дозу белка синтезируемого с него.

Мутация может возникнуть к любой клетке организма. Если мутация возникает в половой клетке, она называется герминативной (герминальной, или генеративной). Такие мутации не проявляются у того организма, у которого они появились, но приводят к появлению мутантов в потомстве и передаются по наследству, поэтому они важны для генетики и эволюции. Если мутация возникает в любой другой клетке, она называется соматической. Такая мутация может в той или иной степени проявляться у того организма, у которого она возникла, например, приводить к образованию раковых опухолей. Однако такая мутация не передается по наследству и не влияет на потомков.

Мутации могут затрагивать разные по размеру участки генома. Выделяют генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации

Мутации, которые возникают в масштабе меньшем, чем один ген, называются генными, или точечными (точковыми). Такие мутации приводят к изменению одного и нескольких нуклеотидов в последовательности. Среди генных мутаций выделяют замены, приводящие к замене одного нуклеотида на другой, делеции, приводящие к выпадению одного из нуклеотидов, инсерции, приводящие к добавлению лишнего нуклеотида в последовательность.

Рис. 23. Генные (точечные) мутации

По механизму воздействия на белок, генные мутации делят на: синонимичные, которые (в результате вырожденности генетического кода) не приводят к изменению аминокислотного состава белкового продукта, миссенс-мутации, которые приводят к замене одной аминокислоты на другую и могут влиять на структуру синтезируемого белка, хотя часто они оказываются незначительными, нонсенс-мутации, приводящие к замене кодирующего кодона на стоп-кодон, мутации, приводящие к нарушению сплайсинга:

Рис. 24. Схемы мутаций

Также по механизму воздействия на белок выделяют мутации, приводящие к сдвигу рамки считывания, например, инсерции и делеции. Такие мутации, как и нонсенс-мутации, хоть и возникают в одной точке гена, часто воздействуют на всю структуру белка, что может привести к полному изменению его структуры.

Рис. 25. Схема мутации, приводящей к сдвигу рамки считывания

Хромосомные мутации

Рис. 26. Хромосомные абберации

Хромосомными мутациями называются мутации, которые затрагивают отдельные гены в рамках одной хромосомы. Различают делеции, когда теряется один или несколько генов, дупликации, когда удваивается тот или иной ген или несколько генов, инверсии, когда участок хромосомы поворачивается на 180 градусов, транслокации, когда гены переходят с одной хромосомы на другую. 

 

Рис. 27. Схемы хромосомных мутаций: делеции, дупликации, инверсии

Рис. 28. Транслокация	Рис. 29. Хромосома до и после дупликации

Геномные мутации

Наконец, геномные мутации затрагивают весь геном целиком, то есть меняется количество хромосом. Выделяют полиплоидии — увеличение плоидности клетки, и анеуплоидии, то есть изменение количества хромосом, например, трисомии (наличие у одной из хромосом дополнительного гомолога) и моносомии (отсутствие у хромосомы гомолога).

Видео по теме ДНК

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК, КОДИРОВАНИЕ РНК, СИНТЕЗ БЕЛКА

(Если видео не отображается оно доступно по ссылке→)

См. дополнительно:

• Нуклеиновые кислоты (PDF)
• Общие сведения о секвенировании биополимеров
• Метагеномика и микробиом
• Бактериальный иммунитет и система CRISPR/Cas
• Трансляция белка на рисбосоме (общие сведения)
• Раскрыт секрет спиральной структуры ДНК (новое о ДНК)
• Антимутагенные свойства пробиотиков (в свете защиты ДНК)
• МикроРНК, микробиом кишечника и иммунитет
• Эпигенетика, короткоцепочечные жирные кислоты и врожденная иммунная память
• Замедление старения: роль питательных веществ и микробиоты в модуляции эпигенома (о метилировании ДНК)

Литература в помощь:

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

1. ПРОБИОТИКИ
2. ПРОБИОТИКИ И ПРЕБИОТИКИ
3. СИНБИОТИКИ
4. ДОМАШНИЕ ЗАКВАСКИ
5. КОНЦЕНТРАТ БИФИДОБАКТЕРИЙ ЖИДКИЙ
6. ПРОПИОНИКС
7. ЙОДПРОПИОНИКС
8. СЕЛЕНПРОПИОНИКС
9. БИФИКАРДИО
10. ПРОБИОТИКИ С ПНЖК
11. МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
12. БИФИДОБАКТЕРИИ
13. ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ
14. МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА
15. МИКРОФЛОРА ЖКТ
16. ДИСБИОЗ КИШЕЧНИКА
17. МИКРОБИОМ и ВЗК
18. МИКРОБИОМ И РАК
19. МИКРОБИОМ, СЕРДЦЕ И СОСУДЫ
20. МИКРОБИОМ И ПЕЧЕНЬ
21. МИКРОБИОМ И ПОЧКИ
22. МИКРОБИОМ И ЛЕГКИЕ
23. МИКРОБИОМ И ПОДЖЕЛУДОЧНАЯ ЖЕЛЕЗА
24. МИКРОБИОМ И ЩИТОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА
25. МИКРОБИОМ И КОЖНЫЕ БОЛЕЗНИ
26. МИКРОБИОМ И КОСТИ
27. МИКРОБИОМ И ОЖИРЕНИЕ
28. МИКРОБИОМ И САХАРНЫЙ ДИАБЕТ
29. МИКРОБИОМ И ФУНКЦИИ МОЗГА
30. АНТИОКСИДАНТНЫЕ СВОЙСТВА
31. АНТИОКСИДАНТНЫЕ ФЕРМЕНТЫ
32. АНТИМУТАГЕННАЯ АКТИВНОСТЬ
33. МИКРОБИОМ и ИММУНИТЕТ
34. МИКРОБИОМ И АУТОИММУННЫЕ БОЛЕЗНИ
35. ПРОБИОТИКИ и ГРУДНЫЕ ДЕТИ
36. ПРОБИОТИКИ, БЕРЕМЕННОСТЬ, РОДЫ
37. ВИТАМИННЫЙ СИНТЕЗ
38. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СИНТЕЗ
39. АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА
40. КОРОТКОЦЕПОЧЕЧНЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ
41. СИНТЕЗ БАКТЕРИОЦИНОВ
42. АЛИМЕНТАРНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
43. МИКРОБИОМ И ПРЕЦИЗИОННОЕ ПИТАНИЕ
44. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
45. ПРОБИОТИКИ ДЛЯ СПОРТСМЕНОВ
46. ПРОИЗВОДСТВО ПРОБИОТИКОВ
47. ЗАКВАСКИ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
48. НОВОСТИ

Статья на конкурс «био/мол/текст»: ДНК — двойная спираль? Не всегда. Отдельные островки наших молекул наследственности могут по ошибке принимать довольно экзотические формы. Например, сворачиваться в спирали из четырех полигуаниновых нитей — вопреки классическим принципам молекулярной биологии. Но действительно ли подобные аномалии возникают «по ошибке»? Или природа давно уже «оседлала» эту странность нуклеиновых кислот, поставив её себе на службу? Можно ли считать четверные G-спирали рабочими «деталями» сложнейшей машины геномной регуляции? И случайна ли их причастность к процессам старения и канцерогенеза?

В мистическом фильме Д. Аронофски «Фонтан» присутствует весьма интересный образ. Конкистадор, отправившийся по велению испанской королевы на поиски древа вечной жизни (далекими прототипами героев здесь, по-видимому, послужили первооткрыватель Флориды Понсе де Леон и король Испании Фердинанд), находит его в храме индейцев Майя в Южной Америке. Однако, вкусив млечного сока этого древа, герой понимает, что что-то пошло не так. Вместо того чтобы обрести бессмертие, он начинает прорастать цветущей травой и полностью становится субстратом для этой буйной, паразитической по сути, растительности. Иными словами, у человека и у природы могут быть разные, если можно так выразиться, представления о жизненной силе и долголетии. И, возможно, именно поэтому в поисках путей продления жизни, мы постоянно натыкаемся на опасность канцерогенеза. Будь это исследования в области стволовых клеток, попытки преодолеть так называемый предел Хейфлика с помощью фермента теломеразы либо иные способы борьбы с клеточным старением. Всякий раз геронтология и онкология идут «рука об руку», теснейшим образом переплетаясь. И одной из точек сопряжения этих двух областей можно считать удивительные структурные аномалии ДНК, носящие название G-квадруплексов…

ДНК не по канону

Мы привыкли думать о ДНК как о двойной спирали, в которой азотистые основания нуклеотидов на противоположных цепях однозначно соответствуют друг другу: аденин — тимину, гуанин — цитозину. Эта, безусловно, фундаментальная особенность нуклеиновых кислот лежит в основе механизмов наследственности. Именно благодаря ей становятся возможными удвоение и корректирование ДНК, а также реализация генетической информации в структуре РНК и белков.

Однако на деле наши молекулы наследственности оказываются куда гибче, подвижнее и причудливее, нежели это было некогда описано легендарными нобелевскими лауреатами Дж. Уотсоном и Ф. Криком. Например, подобно РНК, ДНК может формировать так называемые шпильки, которые на двойной спирали приобретают вид крестообразных структур (рис. 1). Эти «аномальные» образования принимают активное участие в регуляции работы с генетической информацией и задействованы как в копировании ДНК (репликации) [1], так и в переносе информации с ДНК на РНК (транскрипции) [2].

Конечно, «крестами» и шпильками дело не ограничивается. К числу возможных конформаций ДНК относятся также тройные (рис. 2Б) и даже четверные спирали (рис. 2В), возникающие в результате неканонических связей между азотистыми основаниями [3]. В течение последнего десятилетия заметно возросло внимание к так называемым G-квадруплексам — структурам, представляющим собой спирали из четырех нитей ДНК или РНК, соединенных одними только гуанинами. Постепенно выясняется, что эти образования играют весьма важную роль в регуляции активности генов, в генетической изменчивости и в функционировании теломер [4].

Способность гуанина к самоассоциации была обнаружена еще в конце 19 века. И только в 1962 году удалось установить, что в растворах он образует агрегаты из четырех молекул (называемых G-квартетом, или G-тетрадой) [5]. Такие тетрады скрепляются между собой неканоническими (то есть, не предусмотренными в модели Уотсона — Крика) водородными связями, называемыми «хугстиновскими» — по фамилии их первооткрывателя [6]. При этом входящие в них гуанины располагаются в одной плоскости и нуждаются в стабилизации моновалентными катионами (например, K⁺ или Na⁺) (рис. 3а).

Содержащие гуанин нуклеиновые кислоты в растворе могут образовывать такие структуры из одной, двух или четырех различных нитей (рис. 3б). Однако стабильными они будут лишь в том случае, когда три и более G-тетрады сгруппируются в плотную «стопку», «подперев» друг друга межплоскостными стекинг-взаимодействиями и сформировав тем самым G-квадруплекс (G4-структуру). А для этого, в свою очередь, необходима «счастливая встреча» четырех полигуаниновых участков (GGGn), находящихся либо на одной, либо на разных молекулах ДНК или РНК [7].

Правда, на каждое правило есть свои исключения. Здесь можно привести в пример синдром ломкой X-хромосомы, возникающий вследствие экспансии многочисленных (более 200) повторов (CGG) в гене FMR1, необходимом для развития нервной системы. Матричная РНК такого мутантного гена способна формировать вполне стабильные четверные спирали даже из двухгуаниновых мотивов. То есть, в нашей «стопке» будет всего лишь две G-тетрады (рис. 4) [10].

«Значит, это кому-нибудь нужно?» © В. Маяковский

Разумеется, то, что возможно в пробирке, далеко не всегда имеет место в живой клетке. Однако последние годы было убедительно показано, что G-квадруплексы действительно образуются in vivo в хромосомах живых организмов [11, 12]. И, кроме того, методами биоинформатики в геноме человека обнаружено порядка 376 тысяч районов, в которых потенциально могут возникать эти четырехспиральные образования. Интересно, что такие участки, как правило, находятся в составе регуляторных генетических элементов (промоторов, терминаторов, нетранслируемых последовательностей матричной РНК), теломер, рибосомных РНК и интронов, то есть последовательностей, не кодирующих структуру белка. Тогда как кодирующие фрагменты ДНК (экзоны) преимущественно «очищены» от подобных нуклеотидных мотивов [13, 14]. И неудивительно! Ведь, забегая вперед, нельзя не отметить, что такие гуаниновые «узелки» способны становиться очагами генетической нестабильности, провоцируя появление серьезных мутаций. Поэтому направленность естественного отбора в данном случае вполне понятна.

Однако почему-то всё тот же естественный отбор способствовал заметному скоплению потенциальных G4-структур в области генных промоторов, то есть, участков ДНК, определяющих производительность данного гена и позволяющих её регулировать [13]. Причем особенно ярко это выражено в группе онкогенов, повышенная активность которых необходима для возникновения и развития раковых опухолей. Тогда как, к примеру, встречаемость вероятных G-квадруплексов в промоторах генов — супрессоров раковых опухолей (призванных подавлять канцерогенез) значительно ниже, чем в среднем по геному [15, 16]. Более того, последовательности многих промоторов и интронов, особо обогащенных потенциальными G4-структурами, достаточно консервативны, то есть несут общие черты у целого ряда эукариотических организмов [17, 18].

Картину дополняет то обстоятельство, что живые системы не пожалели времени и сил на выработку специальных белков, способных связываться с G-квадруплексами, либо формируя и стабилизируя их, либо «разворачивая», «расплетая» или просто разрезая [19]. Бесполезным или «не существующим» в клетке структурам (каковыми их вплоть до недавнего времени считали многие исследователи) эволюция столько внимания не уделяет. Как отметил более 30 лет назад нобелевский лауреат Аарон Клуг: «Если G-квадруплексы так легко формируются in vitro, природа, должно быть, нашла путь применения их in vivo» [4]. С каждым годом мы получаем всё больше подтверждений этому прозорливому высказыванию.

Из двойной спирали — в четверную

Чтобы сформировать в ДНК такую крупную структуру, как G-квадруплекс, необходимо предварительно подвергнуть плавлению (разъединить) соответствующий участок классической двойной спирали. Длина таких участков может составлять несколько десятков нуклеотидов. К примеру, общая формула для поиска потенциальных G4-структур в геноме, использованная в работах исследователей из Кэмбриджского университета, выглядела как (G₃+N_1—7G₃+N_1—7G₃+N_1—7G₃) — то есть, предполагала длину квадруплекса от 15 до 33 пар оснований [13] (хотя это далеко не единственный вариант [14]). Теоретически G-квадруплексы могут возникнуть практически в любом месте генома— при условии образования достаточно длинного однонитевого ДНК-фрагмента [16]. Другое дело, что по показателям стабильности они будут существенно проигрывать.

Наиболее благоприятные условия для высвобождения протяженных кусочков одноцепочечной ДНК создаются, прежде всего, во время репликации. И действительно: количество G4-структур в клетке заметно (приблизительно в пять раз) возрастает именно при удвоении хромосом [20]. В идеале, по завершении копирования наследственного материала все гуаниновые «узелки» (и старые, и новые) должны удаляться, поскольку в это время клетка буквально «причесывает» свою ДНК. Однако, как показывает практика, часть G-квадруплексов остается и присутствует в геноме на протяжении всего клеточного цикла [11, 12, 20]. Более того, по-видимому, сам процесс репликации нуждается в наличии G4-структур. В частности, они входят в состав ориджинов (геномных районов, с которых начинается репликация) позвоночных животных и, по одной из версий, определяют направление движения ДНК-полимеразы — «копировальной машины» ДНК [21, 22].

Образованию четверных гуаниновых спиралей могут способствовать не только репликация, но и транскрипция (считывание гена), а также репарация (починка) хромосом [23]. Кроме того, в ядре возможно спонтанное плавление двойной спирали ДНК, возникающее в результате тех или иных молекулярных эффектов [24, 25]. В конце концов, появление G4-структур может быть обусловлено целенаправленным воздействием на ДНК специальных белков — шаперонов, призванных формировать квадруплексы там, где это положено [19].

Куда легче дело обстоит с РНК, однонитевыми по своей природе молекулами. Исключительная гибкость и отсутствие «обременения» в виде второй комплементарной цепочки позволяет им свободно принимать самые разнообразные конформации. И не случайно потенциальные G4-спирали нашлись в нетранслируемых (то есть, входящих в состав матричной РНК, но структуру белка не кодирующих) областях более чем 3000 человеческих генов [26, 27]. Кроме того, в последние годы перспективным представляется исследование гибридных квадруплексов, состоящих из ДНК и РНК. Интересно, что для их формирования достаточно не четырех, а всего лишь двух полигуаниновых участков на ДНК (два других автоматически будут присутствовать на считываемой с гена РНК) [28].

На самом краю хромосомы

А теперь — всё внимание таким удивительным ядерным структурам, как теломеры [29]! Располагаясь на концах линейных хромосом ядерных организмов, они призваны защищать генетический материал от разрушения. Структуры всех эукариотических теломер удивительно консервативны: они представляют собой цепочку из многократно повторяющихся нуклеотидных мотивов. В человеческом геноме это мотив (TTAGGG) (обратим внимание читателя на тройной гуанин), воспроизведенный 1000–2000 раз [30]! Не правда ли, идеальная среда для возникновения многочисленных G-квадруплексов? Но и это еще не всё: на конце теломер человека и других теплокровных животных располагается довольно протяженный, 30–300 нуклеотидов, участок однонитевой ДНК со свободным 3’-концом [31]. Состоит он из всё тех же повторов (ТТАGGG). И уж здесь-то образованию гуаниновых узелков ничто не мешает.

Теломерные последовательности, будучи извлеченными из ядра или синтезированными, действительно массово формируют G-квадруплексы [4]. Однако доказательство их наличия в клетке требует куда более тонких подходов. С помощью меченых антител, специфически связывающихся с G4-структурами, было показано, что последние действительно образуются на концах хромосом (правда, не всех). По крайней мере, около 20% всех сигналов были зафиксированы именно там [20]. Возникают ли обнаруженные квадруплексы собственно в теломерах либо в близлежащих областях хромосом, по этим данным сказать трудно, поскольку разрешение метода сильно ограничено. Однако нам достоверно известно, что многие теломерные белки действительно взаимодействуют с G4-структурами (либо формируя их, либо разрушая), и это один из главных аргументов в пользу их полноценного участия в жизни теломер [19]. А уж о том, что эта «жизнь» чрезвычайно важна для нас в контексте вопроса о здоровье и долголетии, говорить не приходится.

Судя по всему, G-квадруплексы задействованы в формировании защитного колпачка, или кэпа, на конце теломеры. В клетках человека такое «кэпирование» осуществляется шелтерином — комплексом из шести белков. Он предохраняет линейную хромосому от излишнего внимания клеточных «контролёров», считающих, что конец цепочки ДНК — это повреждение, требующее соответствующих методов «лечения». А в области теломер такое «лечение» оборачивается катастрофическими последствиями: «сшивкой» разных хромосом и, в итоге, гибелью клетки либо запуском канцерогенеза [32].

С G4-структурами взаимодействуют такие шелтериновые белки, как TRF2 и POT1. При этом TRF2 связывает и стабилизирует квадруплексы на однонитевом 3’-фрагменте, тогда как POT1 обусловливает распад гуаниновых четверных спиралей [19]. Иными словами, квадруплексы при образовании «кэпа» нужны, но дозированно.

Предполагаются самые разнообразные варианты участия G4 ДНК в «кэпировании» хромосом [33]. G-квадруплекс может быть необходим для образования специфической теломерной структуры, именуемой T-петлей (теломерной петлей) (рис. 5, 6а). Он возникает либо при простом запетливании однонитевого 3’-фрагмента (рис. 6б), либо при его внедрении в двойную спираль теломерной ДНК (рис. 6в) [34]. Таким образом осуществляется маскировка свободного 3’-конца (в общем случае распознаваемого клеткой как сигнал тревоги) [33].

Помимо этого, обсуждаются альтернативные T-петле способы «кэпирования» хромосом. По одной из версий, одноцепочечная 3’-ДНК формирует плотный ряд G-квадруплексов, стабилизирующих однонитевой фрагмент и предохраняющих его от деградации особо ретивыми клеточными белками (рис. 7) [35]. Вероятно, подобный способ защиты теломеры используется в тех случаях, когда полноценного шелтерина на конце хромосомы не образуется [36].

Не исключено, что в клетках человека в той или иной мере реализуются оба способа «обороны» теломеры с участием G4-образований. Иное дело, что такая «оборона» может оборачиваться для нас рядом неприятных моментов.

Точка обратного отсчета

Согласно наиболее популярной точке зрения, именно в теломерах спрятан ключ (по крайней мере, один из главных таких ключей) к пониманию процесса старения и ограниченной продолжительности нашей жизни. Линейные хромосомы, в отличие от циклических, коими могут похвастаться большинство доядерных организмов, как правило, не способны удваиваться вечно. Каждый цикл репликации, в силу особенностей организации этого ферментативного механизма, приводит к укорочению одной из дочерних нитей ДНК на 50–100 нуклеотидов. В итоге, после 50–60 раундов копирования наследственного материала потери в длине теломеры становятся неприемлемыми, поэтому клетка запускает процесс своего старения (сенесценции) либо гибнет [30, 37]. Правда, всем известные стволовые клетки являются ярким исключением из этого общего правила [38, 39]. (А еще — клетки растений, меняющие длину теломер в зависимости от времени года [40].)

Исследуя механизмы старения человека, невозможно обойти вниманием такое наследственное заболевание как синдром Вернера. Проявляется оно в ускоренном старении организма и сопровождается всеми сопутствующими эффектами: снижением иммунитета, повышением риска раковых заболеваний, многочисленными физиологическими нарушениями, характерными для людей преклонного возраста. Причиной этого синдрома оказалось нарушение структуры белка — геликазы WRN, основной функцией которого является расплетание теломерных квадруплексов. В результате во время репликации синтез дочерней цепи ДНК тормозится и обрывается в месте образования G4-структуры. Это приводит к галопирующему укорочению теломер и, соответственно, раннему запуску клеточного старения [41]. Аналогичного эффекта в культурах клеток можно добиться искусственным путем, повышая стойкость квадруплексов за счет их связывания со специальными химическими веществами [42].

Можно спорить по поводу применимости модели наследственного заболевания в деле расшифровки механизмов нормального, не патологичного старения. Однако совершенно не исключено, что не расплетенные вовремя теломерные квадруплексы задействованы и в этом случае. Вспомним, к примеру, как долгое время считалось, что синдром прогерии Хатчинсона-Гилфорда, связанный с преждевременным старением у детей, не имеет отношения к старению как таковому. В дальнейшем же было показано, что вызывающий эту болезнь прогерин образуется и в коже обычных пожилых людей [43].

Помимо этого, не секрет, что одной из вероятных причин старения является накопление в геноме повреждений, вызванных окислением свободными радикалами [44]. Причем существенная часть из них концентрируется именно на теломерах [45]. Возможных объяснений такому предпочтительному поражению кончиков хромосом довольно много. По-видимому, в этом виновны и сниженная (силами шелтериновых белков) активность ферментов «ремонта» ДНК, и особенности нуклеотидной последовательности теломерной ДНК. И здесь опять имеет смысл вспомнить про наши G-квадруплексы! Ведь они, помимо всего прочего, оказываются особенно чувствительными к окислительным повреждениям [46].

Смертельно опасная «вечная» жизнь

Говоря о теломерных G4-структурах, нельзя обойти вниманием тот интригующий факт, что, располагаясь на концах 3’-выступа, они блокируют работу теломеразы. А ведь это тот самый широко популяризованный фермент, на который возлагалось столько надежд, и за изучение которого в 2009 году была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине! Теломераза наращивает 3’-концы теломер и таким образом нивелирует их естественное укорочение. Иными словами — продлевает активную жизнь хромосомам и, соответственно, клетке [29]. Однако G-квадруплексы не просто мешают теломеразе делать свое дело — помимо этого, они, располагаясь в области промотора гена TERT, подавляют ее синтез в клетке [47]. И, конечно, этот эффект можно было бы счесть за негативный, если бы не один весьма печальный факт. Дело в том, что избыточная активность теломеразы создает весьма благоприятную среду для перерождения нормальных клеток в раковые. От работы этого фермента сильно зависят порядка 90% всех злокачественных опухолей, ведь он позволяет перерожденным клеткам делиться бесконечно долго [47].

Блокирование работы теломеразы составляет одну из функций гена BRCA1. BRCA1 — широко известный супрессор раковых опухолей, то есть ген — «борец» с канцерогенезом. Он является важным компонентом системы исправления ошибок в ДНК и контролирует активность целого ряда генов, в том числе задействованных в образовании опухолей [48]. Поэтому мутации в BRCA1 зачастую приводят к развитию рака груди и яичников [49], а в России они — в «лидерах» генетических причин возникновения онкозаболеваний [50]. Интересно, что подавление теломеразы этим (весьма немаловажным, как мы убедились) белком осуществляется не только за счет регуляции активности кодирующего её гена TERT [51], но и за счет прямого вмешательства в её работу на теломерах. В частности, предполагают, что BRCA1 связывается с теломерными квадруплексами и стабилизирует их, в результате чего наш «фермент молодости» остаётся не у дел [19].

Как было отмечено выше, TERT — отнюдь не единственный регулируемый G-квадруплексами ген, благоприятствующий развитию злокачественных опухолей [15]. Помимо него в этом ряду фигурируют c-MYC, c-KIT, BLC2, VEGF, HIF-1a и целый ряд других известных онкогенов [52]. Разумеется, такая закономерность не могла не привлечь внимания ученых, занятых поиском средств против рака. Сегодня существует целый ряд работ, посвященных влиянию тех или иных квадруплекс-связывающих веществ на рост и развитие раковых клеток. И, по результатам этих исследований, искусственное укрепление G-квадруплексов представляется чрезвычайно перспективным путем лечения онкологических заболеваний [47, 52].

По лезвию бритвы

Как гласит известная легенда, Будда Шакьямуни обрел просветление, услышав фразу учителя музыки, адресованную его ученику: «Если ты ослабишь струну, музыка не зазвучит, а если ты перетянешь её, она порвется». И этот принцип в полной мере относится ко множеству, если не ко всем биологическим процессам.

Те же самые G4-структуры, которые столь перспективны в рамках лечения раковых опухолей, могут сами по себе становиться провокаторами канцерогенных заболеваний. Вспомним вышеупомянутый синдром преждевременного старения Вернера. Возникает он на фоне недееспособности геликазы WRN, в норме «развязывающей» гуаниновые «узелки» на теломерах. В наших клетках существует целый спектр таких белков, призванных тем или иным способом удалять G-квадруплексы, дабы освободить дорогу ферментам репликации. Если же этого не происходит, то копирование ДНК стопорится в месте образования G4-структуры. В результате запускается целый ряд процессов, приводящих к разрывам ДНК, хромосомным перестройкам и мутациям наследственного материала [36, 41].

Так, например, при повреждении гена специализированной на G-квадруплексах геликазы BLM возникает синдром Блума. Проявляется он в низкорослости и ранней предрасположенности к целому ряду онкозаболеваний. Нарушение функции геликазы FANJ приводит к развитию анемии Фалькони, сопровождающейся повышенной хрупкостью хромосом и склонностью к лейкозам. Аналогичным образом мутации в гене геликазы RETL1 увеличивают чувствительность организма к некоторым видам рака. Этот список можно было бы продолжить целым рядом наследственных заболеваний, провоцирующих канцерогенез. И все они связаны с генетической и теломерной нестабильностью, вызванной «стойкими» ДНК- и РНК-квадруплексами [41].

Иными словами, чтобы «музыка», исполняемая оркестром генных и теломерных G-квадруплексов, звучала, необходима тонкая настройка их жесткости. По-видимому, мы имеем дело с чрезвычайно широкой и сложной сетью структурных ДНК-аномалий. Возникающих как спонтанно, так и при помощи специальных белков. Чувствительных как к молекулярному окружению, так и к физико-химическим условиям среды. Способных как предотвращать раковые заболевания, так и провоцировать их. Принимающих участие как в защите теломер, так и в процессах клеточного старения.

1. Pearson C.E., Zorbas H., Price G.B., Zannis-Hadjopoulos M. (1996). Inverted repeats, stem-loops, and cruciforms: significance for initiation of DNA replication. J. Cell Biochem. 63, 1–22;
2. Wadkins R.M. (2000). Targeting DNA secondary structures. Curr. Med. Chem. 7, 1–15;
3. Франк-Каменецкий М. (2015). Необычные формы ДНК. Портал «ПостНаука»;
4. Rhodes D. and Lipps H.J. (2015). G-quadruplexes and their regulatory roles in biology. Nucl. Acids Res. 43, 8627–8637;
5. Gellert M., Lipsett M.N., Davies D.R. (1962). Helix formation by guanylic acid. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 48, 2013–2018;
6. Hoogsteen K. (1963). The crystal and molecular structure of a hydrogen-bonded complex between 1-methylthymine and 9-methyladenine. Acta Cryst. 16, 907–916;
7. Burge S., Parkinson G.N., Hazel P., Todd A.K, Neidle S. (2006). Quadruplex DNA: sequence, topology and structure. Nucl. Acids Res. 34, 5402–5415;
8. Kotlyar A.B., Borovok N., Molotsky T., Cohen H., Shapir E., Porath D. (2005). Long, monomolecular guanine-based nanowires. Adv. Mat. 17, 1901–1905;
9. Ngo V.A., Felice R.D., Haas S. (2014). Is the G-quadruplex an effective nanoconductor for ions? J. Phys. Chem. B. 118, 864–872;
10. Kettania A., Kumara A.R., Patela D.J. (2014). Solution structure of a DNA quadruplex containing the fragile X syndrome triplet repeat. J. Mol. Biol. 254, 638–656;
11. Lam E.Y., Beraldi D., Tannahill D., Balasubramanian S. (2013). G-quadruplex structures are stable and detectable in human genomic DNA. Nat. Commun. 4, 1796–1780;
12. Rodriguez R., Miller K.M., Forment J.V., Bradshaw C.R., Nikan M., Britton S. et al. (2012). Small-molecule-induced DNA damage identifies alternative DNA structures in human genes. Nat. Chem. Biol. 8, 301–310;
13. Huppert J.L. and Balasubramanian S. (2005). Prevalence of quadruplexes in the human genome. Nucl. Acids Res. 33, 2908–2916;
14. Todd A.K., Johnston M., Neidle S. (2005). Highly prevalent putative quadruplex sequence motifs in human DNA. Nucl. Acids Res. 33, 2901–2907;
15. Eddy J. and Maizels N. (2006). Gene function correlates with potential for G4 DNA formation in the human genome. Nucl. Acids Res. 34, 3887–3896;
16. Maizels N. and Gray L.T. (2013). The G4 Genome. PLoS Genet. 9, e1003468;
17. Fernando H., Reszka A.P., Huppert J., Ladame S., Rankin S., Venkitaraman A.R. et al. (2006). A conserved quadruplex motif located in a transcription activation site of the human c-kit oncogene. Biochem. 45, 7854–7860;
18. Eddy J. and Maizels N. (2008). Conserved elements with potential to form polymorphic G-quadruplex structures in the first intron of human genes. Nucl. Acids Res. 36, 1321–1333;
19. Brazda V., Haronikova L., Liao J.C., Fojta M. (2014). DNA and RNA quadruplex-binding proteins. Int. J. Mol. Sci. 15, 17493–17517;
20. Biffi G., Tannahill D., McCafferty J., Balasubramanian S. (2013). Quantitative visualization of DNA G-quadruplex structures in human cells. Nat. Chem. 5, 182–186;
21. Leonard A.C. and Mechali M. (2013). DNA replication origins. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 5, a010116;
22. Valton A.L., Hassan-Zadeh V., Lema I., Boggetto N., Alberti P., Saintome C. et al. (2014). G4 motifs affect origin positioning and efficiency in two vertebrate replicators. EMBO J. 33, 732–746;
23. Li W., Wu P., Ohmichi T., Sugimoto N. (2002). Characterization and thermodynamic properties of quadruplex/duplex competition. FEBS Lett. 526, 77–81;
24. Miyoshi D., Karimata H., Sugimoto N. (2006). Hydration regulates thermodynamics of G-quadruplex formation under molecular crowding conditions. J. Am. Chem. Soc. 128, 7957–7963;
25. Nikolova E.N., Kim E., Wise A.A., O’Brien P.J., Andricioaei I., Al-Hashimi H.M. (2011). Transient Hoogsteen base pairs in canonical duplex DNA. Nature. 470, 498–502;
26. Bugaut A. and Balasubramanian S. (2012). 5′-UTR RNA G-quadruplexes: translation regulation and targeting. Nucl. Acids Res. 40, 4727–4741;
27. Beaudoin J.D. and Perreault J.P. (2013). Exploring mRNA 3′-UTR G-quadruplexes: evidence of roles in both alternative polyadenylation and mRNA shortening. Nucl. Acids Res. 41, 5898–5911;
28. Xiao S., Zhang J.Y., Zheng K.W., Hao Y.H., Tan Z. (2013). Bioinformatic analysis reveals an evolutional selection for DNA:RNA hybrid G-quadruplex structures as putative transcription regulatory elements in warm-blooded animals. Nucl. Acids Res. 41, 10379–10390;
29. «Нестареющая» Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе;
30. Старение — плата за подавление раковых опухолей?;
31. Makarov V.L., Hirose Y., Langmore J.P. (1997). Long G tails at both ends of human chromosomes suggest a C strand degradation mechanism for telomere shortening. Cell. 88, 657–666;
32. Sfeir A. and Lange T. (2012). Removal of shelterin reveals the telomere end-protection problem. Science. 336, 593–597;
33. Galati A., Micheli E., Cacchione S. (2013). Chromatin Structure in Telomere Dynamics. Front. Oncol. 3, 46;
34. Табу в науке: лаборатория, задававшая неправильные вопросы;
35. Bochman M.L., Paeschke K., Zakian V.A. (2012). DNA secondary structures: stability and function of G-quadruplex structures. Nat. Rev. Genet. 13, 770–780;
36. Brosh R.M. Jr. (2011). Put on your thinking cap: G-quadruplexes, helicases, and telomeres. Aging (Albany NY). 3, 332–335;
37. Levy M.Z., Allsopp R.Z., Futcher A.B., Greider C.W., Harley C.B. (1992). Telomere end-replication problem and cell aging. J. Mol. Biol. 225, 951–960;
38. Была клетка простая, стала стволовая;
39. Ствол и ветки: стволовые клетки;
40. Длина теломер и времена года;
41. Brosh R.M. Jr. (2013). DNA helicases involved in DNA repair and their roles in cancer. Nat. Rev. Cancer. 13, 542–558;
42. Incles C.M., Schultes C.M., Kempski H., Koehler H., Kelland L.R., Neidle S. (2004). A G-quadruplex telomere targeting agent produces p16-associated senescence and chromosomal fusions in human prostate cancer cells. Mol. Cancer Ther. 3, 1201;
43. Burtner C.R. and Kennedy B.K. (2010). Progeria syndromes and ageing: what is the connection? Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11, 567–578;
44. Wickens A.P. (2001). Ageing and the free radical theory. Respir. Physiol. 128, 379–391;
45. Sun L., Tan R., Xu J., LaFace J., Gao Y., Xiao Y. et al. (2015). Targeted DNA damage at individual telomeres disrupts their integrity and triggers cell death. Nucl. Acids Res. 43, 6334–6347;
46. Clark D.W., Phang T., Edwards M.G., Geraci M.W., Gillespie M.N. (2012). Promoter G-quadruplex sequences are targets for base oxidation and strand cleavage during hypoxia-induced transcription. Free Radic. Biol. Med. 53, 51–59;
47. Patel D.J., Phan A.T., Kuryavyi V. (2007). Human telomere, oncogenic promoter and 5′-UTR G-quadruplexes: diverse higher order DNA and RNA targets for cancer therapeutics. Nucl. Acids Res. 35, 7429–7455;
48. Rosen E.M. (2013). BRCA1 in the DNA damage response and at telomeres. Front. Genet. 4, 85;
49. Рак молочной железы с семейной историей;
50. Любченко Л.Н. Наследственный рак молочной железы и/или яичников: ДНК-диагностика, индивидуальный прогноз, лечение и профилактика: дис. … д-ра мед. наук. — Москва, 2009;
51. Xiong J., Fan S., Meng Q., Schramm L., Wang C., Bouzahza B. et al. (2003). BRCA1 inhibition of telomerase activity in cultured cells. Mol. Cell Biol. 23, 8668–8690;
52. Balasubramanian S., Hurley L.H., Neidle S. (2011). Targeting G-quadruplexes in gene promoters: a novel anticancer strategy? Nat. Rev. Drug Discov. 10, 261–275..

Wikimedia Foundation.
2010.

Генетические мутации — изменения в генах, которые вызывают неизлечимые заболевания. Но все ли мутации опасны? И почему такое вообще случается? Если у человека есть генетическая мутация, значит ли это, что у него проявится какая-то болезнь? Отвечаем на эти и другие вопросы в статье.

Содержание

• Что такое ДНК?
• Какова функция генов?
• Что такое мутация?
• Мутации: хорошие, плохие, нейтральные
• Что делать, если генетический тест показал мутацию?

Что такое ДНК?

Чтобы разобраться, что такое генетическая мутация, вспомним, как устроены ДНК и гены.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это длинная молекула, которую принято называть «двойной спиралью». Она хранит биологическую информацию, которая «записана» в виде генетического кода.

Ген — это основная «единица» наследственной информации. Он представляет собой кусочек ДНК.

Какова функция генов?

В части генов в виде кода записаны «рецепты» изготовления белков. Именно белки выполняют основные функции для поддержания жизнедеятельности организма: они отвечают за пищеварение, кровообращение, иммунитет, передачу информации между клетками.

Код представляет собой последовательность нуклеотидов.

Нуклеотид — это конструкция, которая состоит из молекулы сахара, молекулы фосфата и основания.

В нашей ДНК есть четыре азотистых основания:

• аденин,
• гуанин,
• цитозин,
• тимин.

Основания одной цепи соединяются с основаниями другой цепи парами (аденин с тимином, цитозин с гуанином).

Если посмотреть на двойную спираль ДНК, то ее горизонтальные «ступени» будут парами оснований, а вертикальные боковые части — сахарами и фосфатами.

Чтобы изготовить белки по записанному в генах коду, специальные соединения — ферменты — «читают» и копируют код. В результате получаются длинные одноцепочечные молекулы — РНК (рибонуклеиновые кислоты), но это еще не белок. РНК лишь несут в себе информацию о первичной структуре белка, поэтому их называют матричными (сокращенно — мРНК). Эти молекулы покидают ядро клетки и ​​перемещаются в ее цитоплазму. Там специальные органы — рибосомы — считывают код мРНК и изготавливают по этому «рецепту» белок.

Что такое мутация?

Генетическая мутация — это любое изменение в нуклеотидной последовательности ДНК.

К основным типам мутаций относятся:

• транзиция — замена аденина на гуанин или замена тимина на цитозин;
• трансверсия — аденин или гуанин меняются местами с тимином или цитозином;
• делеция — потеря участка ДНК;
• инсерция — добавление участка ДНК;
• дупликация — удвоение участка ДНК;
• инверсия — изменение, при котором участок хромосомы поворачивается на 180°;
• транслокация — мутация, при которой хромосомы обмениваются фрагментами.

Мутации могут происходить по разным причинам.

Спонтанные генетические мутации

Они происходят на протяжении всей нашей жизни. Можно сказать, что это нормальное явление, которое случается в ходе разных процессов, например, при копировании ДНК.

Как правило, такие ошибки не грозят серьезными последствиями, потому что у нашего организма есть механизмы защиты.

К ним относится, например, апоптоз — процесс программируемой гибели «испорченной» клетки, или репарация — починка нити ДНК. В этом случае ошибочный участок ДНК вырезается, а на его месте формируется новый.

Мутации, вызванные внешним влиянием

Мутации могут возникнуть под воздействием внешних неблагоприятных факторов, например, химических веществ, ионизирующего излучения или заражения вирусами.

Белки, которые отвечают за исправление ошибок, как правило, могут исправить испорченные цепи ДНК или привести одну хромосому в соответствие с другой. Но, если ошибки произошли на уровне генома или количества хромосом, защитные механизмы будут бессильны.

Наследственные генетические мутации

Такие мутации достаются человеку от родителей. Бывают случаи, когда генетическое нарушение передается из поколения в поколение (как, например, болезнь гемофилия), иногда мутации происходят в яйцеклетках и сперматозоидах и таким образом передаются ребенку.

Бывают случаи, когда мутации возникают на этапе формирования зиготы — клетки, которая образуется в результате оплодотворения. Как и в предыдущем случае, механизмы репарации с такими мутациями работают далеко не всегда, а ряд заболеваний и вовсе связан с нарушениями в процессе починки (например, пигментная ксеродерма — заболевание кожи, представляющее собой повышенную чувствительность к ультрафиолету).

Мутации: хорошие, плохие, нейтральные

Не все генетические мутации опасны. Важно понимать, что именно мутации объясняют генетические различия между видами. Изменения генов влекут за собой изменение характеристик организма, и в результате этого он может стать либо более, либо менее приспособленным к выживанию.

В ходе естественного отбора преимущество получают те живые существа, которые обладают более «полезным» набором характеристик, и тогда мутация закрепляется в популяции, становясь нормой.

«Хорошие» мутации

Ученым известно, что, например, у людей с определенным вариантом гена GPR75 риск ожирения снижен на 54%. А те, у кого есть хотя бы одна копия такого варианта гена, имеют более низкий индекс массы тела.

Мутации генов могут давать человеку и другие преимущества: так, мутировавший ген EPOR дал финскому лыжнику, трехкратному олимпийскому чемпиону Ээро Мянтюранта высокую чувствительность к эритропоэтину — гормону, который помогает нашим клеткам поддерживать оптимальный уровень кислорода и выводить углекислый газ. Это изменило и объем красных кровяных клеток в крови спортсмена, и объем кислорода, который эти клетки способны переносить. В результате Мянтюранта получил супервыносливость — его организм легко справлялся с повышенной потребностью в кислороде во время физических нагрузок.

«Плохие» мутации

Генетические мутации могут вызывать различные заболевания. Например, изменения гена DMD вызывают дистрофию Дюшенна — нервно-мышечное заболевание, которое проявляется у мужчин намного чаще, чем у женщин. А к серповидноклеточной анемии — нарушению в строении белка гемоглобина, который переносит кислород от легких к органам, — приводят мутации гена HBB. Хорея Гентингтона — тяжелое заболевание нервной системы — развивается из-за мутации в гене HTT.

Однако далеко не всегда генетическое заболевание связано с мутацией одного гена. Так, синдром Дауна возникает из-за изменения количества хромосом — в клетках пациентов с этой болезнью 47 хромосом вместо обычных 46.

Ряд заболеваний, таких как рак, диабет, расстройства аутического спектра, появляются из-за комбинации факторов. Пациенты могут иметь генетическую предрасположенность, но значительную роль играют и внешние факторы — неправильный образ жизни, неблагоприятная окружающая среда.

«Нейтральные» мутации

Нейтральные мутации, как следует из названия, не оказывают на здоровье человека ни положительного, ни отрицательного эффекта. Как правило, эти мутации затрагивают нуклеотидную последовательность ДНК, но не сказываются на строении белков.

Так происходит, потому что наш генетический код обладает так называемой избыточностью — это значит, что ряд аминокислот кодируется несколькими способами, чтобы случайные ошибки при копировании с меньшей вероятностью привели к нарушению функции или отсутствию кодируемого белка.

Бывает и так, что мутация гена все-таки меняет аминокислоту. Тем не менее, это не всегда приводит к нарушению функции белка.

Что делать, если генетический тест показал мутацию?

Во многих случаях наличие генетических нарушений не означает, что у человека непременно разовьется какое-то заболевание. Это значит лишь то, что пациент обладает генетическим вариантом, который чаще встречается у людей с этим заболеванием, и, вероятно, предрасположен к возникновению проблемы больше остальных.

Важнейшую роль в таких случаях играют внешние факторы: образ жизни, привычки, окружающая среда.

Ученые сходятся на том, что важными условиями сохранения здоровья являются:

● сбалансированное питание, богатое овощами и фруктами;
● регулярные занятия спортом;
● отказ от курения и алкоголя;
● достаточное количество сна.

Эти правила помогут значительно снизить риск развития таких распространенных заболеваний, как рак, проблемы с сердечно-сосудистой системой, диабет второго типа.

В том случае, если у человека есть мутация, связанная с моногенным заболеванием (то есть таким, которое возникает из-за «поломки» всего лишь одного гена), то существует риск, что он передаст этот вариант гена своему ребенку. Кроме того, болезнь может проявиться и у самого обладателя «плохого» гена — в этом случае ему следует обратиться к специалистам. Как правило, генетические заболевания не лечатся, но врач сможет порекомендовать препараты или изменения образа жизни (например, диета), чтобы уменьшить проявления болезни.

Результаты Генетического теста Атлас подскажут персональные рекомендации по улучшению образа жизни, которые помогут минимизировать риск появления заболеваний. Используя эти знания, будет проще спланировать подходящий рацион, спортивные нагрузки и тренировки, профилактические обследования.

Больше статей о генетике в блоге Атласа:

• Из чего состоит геном человека
• Кому и зачем нужны ДНК-банки
• Генная терапия: шанс или фантастика

Что такое ДНК, и из чего она состоит? Кто и когда открыл эту молекулу в клетках человека и других живых организмов? Чем уникален открытый учеными механизм наследования, и какие последствия ждал весь мир после этого открытия? Всю необходимую информацию Вы можете узнать, прочитав эту статью.

Когда впервые в истории появилось упоминание о ДНК

Иоганнес Фридрих Фишер – врач и биолог-исследователь родом из Швейцарии, стал первым в мире ученым, выделившим нуклеиновую кислоту. Открытие случилось в 1869 году, когда он занимался изучением животных клеток, а именно лейкоцитов, которых много содержалось в гное. Совершенно случайно молодой ученый заметил, что при отмывании лейкоцитов с гнойных повязок от них остается загадочное соединение. Под микроскопом Иоганн обнаружил, что оно содержится в ядрах клеток. Это соединение Мишер назвал нуклеином, а в процессе изучения его свойств переименовал в нуклеиновую кислоту, из-за наличия свойств, как у кислот.

Роль и функции только открытой нуклеиновой кислоты были неизвестны. Однако многие ученые того времени уже высказывали свои теории и предположения о существовании механизмов наследования.

Нынешние взгляды на состав молекулы ДНК ассоциируются у людей с именами английских ученых Джорджа Уотсона и Фрэнсиса Крика, которые открыли структуру данной молекулы в 1953 году. За несколько лет до этого, в тридцатые годы, ученые из советского союза А.Н. Белозерский и А.Р. Кезеля доказали наличие ДНК в клетках во всех живых организмах, тем самым они опровергли теорию о том, что молекула ДНК находится только в клетках животных, а в клетках растений присутствует только РНК. Лишь спустя несколько лет, в 1944 году, группой освальдских ученых было установлено, что молекула ДНК является механизмом сохранения наследственной информации клетки. Таким образом, благодаря совместным усилиям и трудам исследователей человечество познало тайну процесса эволюции и его основных принципов.

ДНК в медицине

Открытие состава молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты позволило перейти медицине на новый уровень развития. Появилось большое количество новых направлений практической медицины, стали доступны новые методы лечения, диагностики. Благодаря этому фундаментальному открытию для науки и современным технологиям, человечеству стали доступны:

• Возможность поставить диагноз на ранней стадии заболевания, когда оно еще находится в скрытом периоде, и никаких симптомов не проявляется.
• Тест ДНК на установление родственных связей у человека.
• Тесты на наличие у человека аллергии или непереносимости некоторых пищевых продуктов. Индивидуальные исследования помогут выявить, какая пища хорошо усваивается организмом, а какая плохо или вообще не усваивается, и что может стать причиной аллергической реакции у исследуемого.
• Анализ ДНК этнических особенностей. Возможность узнать, какие этносы формируют Вашу внешность, и из каких народов были Ваши далекие предки
• Тест на наличие врожденных заболеваний, передающиеся через поколения, оценка риска их возникновения у тестируемого человека.

И это еще не все доступные для людей услуги, которые может предложить медицина, изучающая генетику. Выше были представлены только самые популярные среди людей тесты. Перспективой для многих ученых-генетиков является создание таких лекарств, способных победить все болезни на Земле и даже смертность.

Строение молекулы ДНК

Молекула ДНК состоит из органических соединений — нуклеотидов, которые скручиваются в две спиралевидные цепи. Нуклеотиды в этих цепях – это базовые элементы, с помощью которых потом будут кодироваться и выстраиваться гены. В составе одного гена возможны несколько вариантов расположения некоторых нуклеотидов, поэтому вместе с тем, как меняется структура гена, меняется и его функциональность.

От цепочки к хромосоме

В каждом живом организме находится миллионы клеток, а внутри этих клеток находится ядро. Клетки, содержащие в себе ядро, называются эукариотами или ядерными. У древних одноклеточных нет оформленного ядра. К таким безъядерным одноклеточным, или прокариотам, относятся бактерии и археи, например, кишечная палочка или серая анаэробная бактерия. Также ядро отсутствует в клетках вирусов и вироидов, однако причисление вирусов к живым организмам – вопрос спорный, о котором по сей день дискуссируют ученые.

В ядре находятся хромосомы – структурный элемент, в котором содержится молекула ДНК в виде спирали, хранящая внутри себя всю генетическую информацию клетки.

Процесс упаковки ДНК спиралей

Количество нуклеотидов в ДНК велико, и нужны длинные цепочки, чтобы вместить все их число, поэтому нити ДНК закручиваются в две спирали, что позволяет укоротить цепочки в 5 раз, сделав их более компактными. Нити ДНК могут также закручиваться в форму суперспирали. Двойная спираль пересекает свою ось и накручивается на специальные гистоновые белки – гиразы, образуя при этом супервитки. Таким образом, двойная спираль закручивается в спираль более высокого порядка. Сокращение цепочек в этом случае произойдет в 30 раз.

Как гены связаны с ДНК

Ген – самый изученный на сегодняшний день участок ДНК. Гены являются структурной единицей наследственности всех живых организмов. Цепочки нуклеотидов в ДНК состоят из генов, которые определяют генотип особи, например, цвет и разрез глаз, тип кожи, рост, группу и резус фактор крови и другие физиологические качества и особенности внешности.

Еще много отраслей генетики до конца не изучены, и до конца не раскрыты все функции генома, но ученые до сих пор продолжают изучение генов, чтобы добиться новых открытий в области генетики.

Хромосома: определение и описание

Хромосомы – структурный элемент клетки, находящийся внутри ядра. Они содержат в себе молекулы ДНК, в которых содержится вся наследственная информация.

Строение и виды хромосом:

Хромосома состоит из двух «палочек» — хроматид, перетянутых по центру первичной перетяжкой – центромерой. Конец хромосомы называется теломером. Центромера может делить хромосому на короткое и длинное плечо.

Отсюда возникают различные типы хромосом:

• Равноплечая – центромера перетягивает хроматиды точно посередине;
• Неравноплечая – центромера неточно перетягивает хроматиды, из-за чего одно плечо хромосомы будет длиннее, а другое – короче. К этому типу относится Y-хромосома;
• Палочковидная – центромера перетягивает хроматиды практически на их концах, из-за чего по форме хромосома напоминает палочку;
• Точковые – очень мелкие хромосомы, форму которых трудно определить. В науке существуют 3 основные формы хромосом:
• Х-хромосома, встречающаяся у особей женского и мужского пола;
• Y-хромосома, встречающаяся только у мужских особей;
• В-хромосома, которая очень редко встречается в клетках растений. Обычно их число доходит до 6, редко – до 12. Ее наличие обуславливает различные болезни и побочные эффекты в организме

Всего в клетке человека находится 46 хромосом: 22 пары аутосом, встречающиеся у обоих полов, и одна пара половых хромосом: XY – у мужчин, XX – у женщин. Забавно, что если прибавить к количеству хромосом хотя бы одну пару, то человек мог бы быть шимпанзе или тараканом, а если отнять, то – кроликом.

Еще интересно то, что человек и ясень имеют одинаковое количество хромосом, несмотря на принадлежность к разным видам и царствам.

Наследственные болезни

Генетический код – система записи генетической информации в ДНК и РНК в виде определенной последовательности в цепочке нуклеотидов. Он должен сохранять наследственную информацию в первоначальном виде, восстанавливая повреждения цепочки в последующем поколении с помощью ДНК. Однако ген может каким-то образом быть поврежден, либо в нем может произойти мутация.

Генные мутации – изменение в последовательности нуклеотидов, например выпадение, замена, вставка другого нуклеотида в цепочку. Последствия этих мутаций могут быть полезные, вредные или нейтральные. Примером полезных мутаций является устойчивость к минусовым температурам, увеличенная плотность костей, меньшая потребность во сне, устойчивость к ВИЧ и другие. Примером вредных мутаций является аллергия на солнечный свет, глухота слепота и так далее. К нейтральным мутациям относятся те мутации, которые не влияют на жизнеспособность, например, гетерохромия.

Существуют также летальные и полулетальные мутации. Летальные мутации несовместимы с жизнью и приводят к гибели организма на ранних этапах его развития, например, при рождении у особи отсутствует головной мозг. Полулетальные мутации не приводят к смерти особи, но значительно уменьшают ее жизнеспособность. К таким мутациям относятся заболевания человека, передающиеся по наследству. Например, наличие 47-й хромосомы может вызвать у человека синдром Дауна, а, наоборот, отсутствие 46-й парной хромосомы – сидром Шерешевского-Тернера.

Расшифровка цепочки ДНК

Расшифровка цепочки ДНК в клетке – это исследование всех известных генов в клетках человека. Хоть цена за такую услугу значительно упала за последние десять лет, однако такое исследование по-прежнему остается дорогим удовольствием, и не каждый человек сможет позволить себе оплатить такую услугу. Чтобы уменьшить цену этого исследования, расшифровку ДНК стали делить по тематикам. Таким образом, появились различные тесты, которые исследуют интересующую человека группу генов и ее функции.

Как происходит расшифровка цепочки ДНК?

• Взятые на пробу образцы ДНК нагревают, чтобы двойная спираль раскрутилась и распалась на две нити.
• К интересующему участку цепочки генов прилепляется полимераза — фермент, синтезирующий полимеры нуклеиновых кислот. Процедура проходит при низких температурах.
• С помощью полимеразы в интересующих участков происходит синтезов генов, необходимых для изучения.
• Участки пропитывают светящейся краской, которая светится при лазерном воздействии.

Таким образом, ученые получают картину гена, которую можно изучить и расшифровать. Синтез РНК Нуклеотиды делятся на четыре базовых элемента, служащими основой для формирования генов: АТГЦ, или аденин, тимин, гуанин, цитозин. В их состав входят фосфорные остатки, азотистые основания и пептоза.

В ДНК эти нуклеотиды располагаются строго по парам параллельно друг другу строгими парами: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином.

Важно, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты не должна выходить за пределы мембраны ядра. С помощью РНК, которая играет роль копии участка цепи с генетическим кодом, генетическая цепочка может покинуть ядро, попасть вовнутрь клетки и воздействовать на ее внутренние процессы.

Как это происходит:

• Один конец генной спирали раскручивается, формируя две развернутые нити с цепочкой генов.
• К развернутому участку спирали подходит специальный фермент-строитель и поверх этого участка синтезирует его копию.
• У копии в структуре нуклеотидов тимин во всех парах заменяется на урацил, что позволяет копии генетической цепи покинуть ядро клетки. Синтез белка при помощи генов Основное взаимодействие, происходящее между генами и клеткой, состоит в том, что различные гены могут заставлять клетку производить синтез разных белков с самыми непредсказуемыми свойствами.

Итак, группа генов, участвующих в процессе старения клеток может, как заставить процесс старения идти быстрее, так и вовсе его остановить и запустить процесс омолаживания. То есть, каждый из генов может спровоцировать синтез нескольких видов белка.

Сутягина Дарья Сергеевна

Эксперт-генетик

В нашей ДНК содержится очень много информации, но пока мы можем расшифровать лишь небольшой процент генов. Добавлю несколько интересных фактов о ДНК: возможность двойной ДНК у человека. Такое явление случается, когда при беременности в утробе развиваются близнецы, но в процессе развития плода они сливаются в одного человека. Длина одной молекулы ДНК человека равна 2 метрам, а общая длина цепочки ДНК всех клеток тела человека равна 16 млрд. километрам, что равно расстоянию от Земли до Плутона. ДНК человека и кенгуру всего лишь 150 млн. лет назад были одинаковыми. Все знания и информация во всем мире могла бы уместиться всего лишь в 2 граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.

In molecular biology, the term double helix^[1] refers to the structure formed by double-stranded molecules of nucleic acids such as DNA. The double helical structure of a nucleic acid complex arises as a consequence of its secondary structure, and is a fundamental component in determining its tertiary structure. The term entered popular culture with the publication in 1968 of The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA by James Watson.

The DNA double helix biopolymer of nucleic acid is held together by nucleotides which base pair together.^[2] In B-DNA, the most common double helical structure found in nature, the double helix is right-handed with about 10–10.5 base pairs per turn.^[3] The double helix structure of DNA contains a major groove and minor groove. In B-DNA the major groove is wider than the minor groove.^[2] Given the difference in widths of the major groove and minor groove, many proteins which bind to B-DNA do so through the wider major groove.^[4]

History[edit]

The double-helix model of DNA structure was first published in the journal Nature by James Watson and Francis Crick in 1953,^[5] (X,Y,Z coordinates in 1954^[6]) based on the work of Rosalind Franklin and her student Raymond Gosling, who took the crucial X-ray diffraction image of DNA labeled as «Photo 51», ^[7][8] and Maurice Wilkins, Alexander Stokes, and Herbert Wilson,^[9] and base-pairing chemical and biochemical information by Erwin Chargaff.^{[10][11][12][13][14][15]} The prior model was triple-stranded DNA.^[16]

The realization that the structure of DNA is that of a double-helix elucidated the mechanism of base pairing by which genetic information is stored and copied in living organisms and is widely considered one of the most important scientific discoveries of the 20th century. Crick, Wilkins, and Watson each received one-third of the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine for their contributions to the discovery.^[17]

Nucleic acid hybridization[edit]

Hybridization is the process of complementary base pairs binding to form a double helix. Melting is the process by which the interactions between the strands of the double helix are broken, separating the two nucleic acid strands. These bonds are weak, easily separated by gentle heating, enzymes, or mechanical force. Melting occurs preferentially at certain points in the nucleic acid.^[18] T and A rich regions are more easily melted than C and G rich regions. Some base steps (pairs) are also susceptible to DNA melting, such as T A and T G.^[19] These mechanical features are reflected by the use of sequences such as TATA at the start of many genes to assist RNA polymerase in melting the DNA for transcription.

Strand separation by gentle heating, as used in polymerase chain reaction (PCR), is simple, providing the molecules have fewer than about 10,000 base pairs (10 kilobase pairs, or 10 kbp). The intertwining of the DNA strands makes long segments difficult to separate.^[20] The cell avoids this problem by allowing its DNA-melting enzymes (helicases) to work concurrently with topoisomerases, which can chemically cleave the phosphate backbone of one of the strands so that it can swivel around the other.^[21] Helicases unwind the strands to facilitate the advance of sequence-reading enzymes such as DNA polymerase.^[22]

Base pair geometry[edit]

The geometry of a base, or base pair step can be characterized by 6 coordinates: shift, slide, rise, tilt, roll, and twist. These values precisely define the location and orientation in space of every base or base pair in a nucleic acid molecule relative to its predecessor along the axis of the helix. Together, they characterize the helical structure of the molecule. In regions of DNA or RNA where the normal structure is disrupted, the change in these values can be used to describe such disruption.

For each base pair, considered relative to its predecessor, there are the following base pair geometries to consider:^[23][24][25]

• Shear
• Stretch
• Stagger
• Buckle
• Propeller: rotation of one base with respect to the other in the same base pair.
• Opening
• Shift: displacement along an axis in the base-pair plane perpendicular to the first, directed from the minor to the major groove.
• Slide: displacement along an axis in the plane of the base pair directed from one strand to the other.
• Rise: displacement along the helix axis.
• Tilt: rotation around the shift axis.
• Roll: rotation around the slide axis.
• Twist: rotation around the rise axis.
• x-displacement
• y-displacement
• inclination
• tip
• pitch: the height per complete turn of the helix.

Rise and twist determine the handedness and pitch of the helix. The other coordinates, by contrast, can be zero. Slide and shift are typically small in B-DNA, but are substantial in A- and Z-DNA. Roll and tilt make successive base pairs less parallel, and are typically small.

Note that «tilt» has often been used differently in the scientific literature, referring to the deviation of the first, inter-strand base-pair axis from perpendicularity to the helix axis. This corresponds to slide between a succession of base pairs, and in helix-based coordinates is properly termed «inclination».

Helix geometries[edit]

At least three DNA conformations are believed to be found in nature, A-DNA, B-DNA, and Z-DNA. The B form described by James Watson and Francis Crick is believed to predominate in cells.^[26] It is 23.7 Å wide and extends 34 Å per 10 bp of sequence. The double helix makes one complete turn about its axis every 10.4–10.5 base pairs in solution. This frequency of twist (termed the helical pitch) depends largely on stacking forces that each base exerts on its neighbours in the chain. The absolute configuration of the bases determines the direction of the helical curve for a given conformation.

A-DNA and Z-DNA differ significantly in their geometry and dimensions to B-DNA, although still form helical structures. It was long thought that the A form only occurs in dehydrated samples of DNA in the laboratory, such as those used in crystallographic experiments, and in hybrid pairings of DNA and RNA strands, but DNA dehydration does occur in vivo, and A-DNA is now known to have biological functions. Segments of DNA that cells have methylated for regulatory purposes may adopt the Z geometry, in which the strands turn about the helical axis the opposite way to A-DNA and B-DNA. There is also evidence of protein-DNA complexes forming Z-DNA structures.

Other conformations are possible; A-DNA, B-DNA, C-DNA, E-DNA,^[27] L-DNA (the enantiomeric form of D-DNA),^[28] P-DNA,^[29] S-DNA, Z-DNA, etc. have been described so far.^[30] In fact, only the letters F, Q, U, V, and Y are now available to describe any new DNA structure that may appear in the future.^[31][32] However, most of these forms have been created synthetically and have not been observed in naturally occurring biological systems.^{[citation needed]} There are also triple-stranded DNA forms and quadruplex forms such as the G-quadruplex and the i-motif.

Structural features of the three major forms of DNA^[33][34][35]

Geometry attribute	A-DNA	B-DNA	Z-DNA
Helix sense	right-handed	right-handed	left-handed
Repeating unit	1 bp	1 bp	2 bp
Rotation/bp	32.7°	34.3°	60°/2
bp/turn	11	10.5	12
Inclination of bp to axis	+19°	−1.2°	−9°
Rise/bp along axis	2.3 Å (0.23 nm)	3.32 Å (0.332 nm)	3.8 Å (0.38 nm)
Pitch/turn of helix	28.2 Å (2.82 nm)	33.2 Å (3.32 nm)	45.6 Å (4.56 nm)
Mean propeller twist	+18°	+16°	0°
Glycosyl angle	anti	anti	C: anti, G: syn
Sugar pucker	C3′-endo	C2′-endo	C: C2′-endo, G: C2′-exo
Diameter	23 Å (2.3 nm)	20 Å (2.0 nm)	18 Å (1.8 nm)

Grooves[edit]

Twin helical strands form the DNA backbone. Another double helix may be found by tracing the spaces, or grooves, between the strands. These voids are adjacent to the base pairs and may provide a binding site.^[36] As the strands are not directly opposite each other, the grooves are unequally sized. One groove, the major groove, is 22 Å wide and the other, the minor groove, is 12 Å wide.^[37] The narrowness of the minor groove means that the edges of the bases are more accessible in the major groove. As a result, proteins like transcription factors that can bind to specific sequences in double-stranded DNA usually make contacts to the sides of the bases exposed in the major groove.^[4] This situation varies in unusual conformations of DNA within the cell (see below), but the major and minor grooves are always named to reflect the differences in size that would be seen if the DNA is twisted back into the ordinary B form.^[38]

Non-double helical forms[edit]

Alternative non-helical models were briefly considered in the late 1970s as a potential solution to problems in DNA replication in plasmids and chromatin. However, the models were set aside in favor of the double-helical model due to subsequent experimental advances such as X-ray crystallography of DNA duplexes and later the nucleosome core particle, and the discovery of topoisomerases. Also, the non-double-helical models are not currently accepted by the mainstream scientific community.^[39][40]

Bending[edit]

DNA is a relatively rigid polymer, typically modelled as a worm-like chain. It has three significant degrees of freedom; bending, twisting, and compression, each of which cause certain limits on what is possible with DNA within a cell. Twisting-torsional stiffness is important for the circularisation of DNA and the orientation of DNA bound proteins relative to each other and bending-axial stiffness is important for DNA wrapping and circularisation and protein interactions. Compression-extension is relatively unimportant in the absence of high tension.

Persistence length, axial stiffness[edit]

Example sequences and their persistence lengths (B DNA)^{[citation needed]}

Sequence	Persistence length / base pairs
Random	154±10
(CA)repeat	133±10
(CAG)repeat	124±10
(TATA)repeat	137±10

DNA in solution does not take a rigid structure but is continually changing conformation due to thermal vibration and collisions with water molecules, which makes classical measures of rigidity impossible to apply. Hence, the bending stiffness of DNA is measured by the persistence length, defined as:
{{quote|The length of DNA over which the time-averaged orientation of the polymer becomes uncorrelated by a factor of e.^[41]

This value may be directly measured using an atomic force microscope to directly image DNA molecules of various lengths. In an aqueous solution, the average persistence length is 46–50 nm or 140–150 base pairs (the diameter of DNA is 2 nm), although can vary significantly. This makes DNA a moderately stiff molecule.

The persistence length of a section of DNA is somewhat dependent on its sequence, and this can cause significant variation. The variation is largely due to base stacking energies and the residues which extend into the minor and major grooves.

Models for DNA bending[edit]

Stacking stability of base steps (B DNA)^[42]

Step	Stacking ΔG /kcal mol−1
T A	-0.19
T G or C A	-0.55
C G	-0.91
A G or C T	-1.06
A A or T T	-1.11
A T	-1.34
G A or T C	-1.43
C C or G G	-1.44
A C or G T	-1.81
G C	-2.17

At length-scales larger than the persistence length, the entropic flexibility of DNA is remarkably consistent with standard polymer physics models, such as the Kratky-Porod worm-like chain model.^[43] Consistent with the worm-like chain model is the observation that bending DNA is also described by Hooke’s law at very small (sub-piconewton) forces. For DNA segments less than the persistence length, the bending force is approximately constant and behaviour deviates from the worm-like chain predictions.

This effect results in unusual ease in circularising small DNA molecules and a higher probability of finding highly bent sections of DNA.^[44]

Bending preference[edit]

DNA molecules often have a preferred direction to bend, i.e., anisotropic bending. This is, again, due to the properties of the bases which make up the DNA sequence — a random sequence will have no preferred bend direction, i.e., isotropic bending.

Preferred DNA bend direction is determined by the stability of stacking each base on top of the next. If unstable base stacking steps are always found on one side of the DNA helix then the DNA will preferentially bend away from that direction. As bend angle increases then steric hindrances and ability to roll the residues relative to each other also play a role, especially in the minor groove. A and T residues will be preferentially be found in the minor grooves on the inside of bends. This effect is particularly seen in DNA-protein binding where tight DNA bending is induced, such as in nucleosome particles. See base step distortions above.

DNA molecules with exceptional bending preference can become intrinsically bent. This was first observed in trypanosomatid kinetoplast DNA. Typical sequences which cause this contain stretches of 4-6 T and A residues separated by G and C rich sections which keep the A and T residues in phase with the minor groove on one side of the molecule. For example:

¦

¦

¦

¦

¦

¦

G

A

T

T

C

C

C

A

A

A

A

A

T

G

T

C

A

A

A

A

A

A

T

A

G

G

C

A

A

A

A

A

A

T

G

C

C

A

A

A

A

A

A

T

C

C

C

A

A

A

C

The intrinsically bent structure is induced by the ‘propeller twist’ of base pairs relative to each other allowing unusual bifurcated Hydrogen-bonds between base steps. At higher temperatures this structure is denatured, and so the intrinsic bend is lost.

All DNA which bends anisotropically has, on average, a longer persistence length and greater axial stiffness. This increased rigidity is required to prevent random bending which would make the molecule act isotropically.

Circularization[edit]

DNA circularization depends on both the axial (bending) stiffness and torsional (rotational) stiffness of the molecule. For a DNA molecule to successfully circularize it must be long enough to easily bend into the full circle and must have the correct number of bases so the ends are in the correct rotation to allow bonding to occur. The optimum length for circularization of DNA is around 400 base pairs (136 nm)^{[citation needed]}, with an integral number of turns of the DNA helix, i.e., multiples of 10.4 base pairs. Having a non integral number of turns presents a significant energy barrier for circularization, for example a 10.4 x 30 = 312 base pair molecule will circularize hundreds of times faster than 10.4 x 30.5 ≈ 317 base pair molecule.^[45]

The bending of short circularized DNA segments is non-uniform. Rather, for circularized DNA segments less than the persistence length, DNA bending is localised to 1-2 kinks that form preferentially in AT-rich segments. If a nick is present, bending will be localised to the nick site.^[44]

Stretching[edit]

Elastic stretching regime[edit]

Longer stretches of DNA are entropically elastic under tension. When DNA is in solution, it undergoes continuous structural variations due to the energy available in the thermal bath of the solvent. This is due to the thermal vibration of the molecule combined with continual collisions with water molecules. For entropic reasons, more compact relaxed states are thermally accessible than stretched out states, and so DNA molecules are almost universally found in a tangled relaxed layouts. For this reason, one molecule of DNA will stretch under a force, straightening it out. Using optical tweezers, the entropic stretching behavior of DNA has been studied and analyzed from a polymer physics perspective, and it has been found that DNA behaves largely like the Kratky-Porod worm-like chain model under physiologically accessible energy scales.

Phase transitions under stretching[edit]

Under sufficient tension and positive torque, DNA is thought to undergo a phase transition with the bases splaying outwards and the phosphates moving to the middle. This proposed structure for overstretched DNA has been called P-form DNA, in honor of Linus Pauling who originally presented it as a possible structure of DNA.^[29]

Evidence from mechanical stretching of DNA in the absence of imposed torque points to a transition or transitions leading to further structures which are generally referred to as S-form DNA. These structures have not yet been definitively characterised due to the difficulty of carrying out atomic-resolution imaging in solution while under applied force although many computer simulation studies have been made (for example,^[46][47]).

Proposed S-DNA structures include those which preserve base-pair stacking and hydrogen bonding (GC-rich), while releasing extension by tilting, as well as structures in which partial melting of the base-stack takes place, while base-base association is nonetheless overall preserved (AT-rich).

Periodic fracture of the base-pair stack with a break occurring once per three bp (therefore one out of every three bp-bp steps) has been proposed as a regular structure which preserves planarity of the base-stacking and releases the appropriate amount of extension,^[48] with the term «Σ-DNA» introduced as a mnemonic, with the three right-facing points of the Sigma character serving as a reminder of the three grouped base pairs. The Σ form has been shown to have a sequence preference for GNC motifs which are believed under the GNC hypothesis to be of evolutionary importance.^[49]

Supercoiling and topology[edit]

The B form of the DNA helix twists 360° per 10.4-10.5 bp in the absence of torsional strain. But many molecular biological processes can induce torsional strain. A DNA segment with excess or insufficient helical twisting is referred to, respectively, as positively or negatively supercoiled. DNA in vivo is typically negatively supercoiled, which facilitates the unwinding (melting) of the double-helix required for RNA transcription.

Within the cell most DNA is topologically restricted. DNA is typically found in closed loops (such as plasmids in prokaryotes) which are topologically closed, or as very long molecules whose diffusion coefficients produce effectively topologically closed domains. Linear sections of DNA are also commonly bound to proteins or physical structures (such as membranes) to form closed topological loops.

Francis Crick was one of the first to propose the importance of linking numbers when considering DNA supercoils. In a paper published in 1976, Crick outlined the problem as follows:

In considering supercoils formed by closed double-stranded molecules of DNA certain mathematical concepts, such as the linking number and the twist, are needed. The meaning of these for a closed ribbon is explained and also that of the writhing number of a closed curve. Some simple examples are given, some of which may be relevant to the structure of chromatin.^[50]

Analysis of DNA topology uses three values:

• L = linking number — the number of times one DNA strand wraps around the other. It is an integer for a closed loop and constant for a closed topological domain.
• T = twist — total number of turns in the double stranded DNA helix. This will normally tend to approach the number of turns that a topologically open double stranded DNA helix makes free in solution: number of bases/10.5, assuming there are no intercalating agents (e.g., ethidium bromide) or other elements modifying the stiffness of the DNA.
• W = writhe — number of turns of the double stranded DNA helix around the superhelical axis
• L = T + W and ΔL = ΔT + ΔW

Any change of T in a closed topological domain must be balanced by a change in W, and vice versa. This results in higher order structure of DNA. A circular DNA molecule with a writhe of 0 will be circular. If the twist of this molecule is subsequently increased or decreased by supercoiling then the writhe will be appropriately altered, making the molecule undergo plectonemic or toroidal superhelical coiling.

When the ends of a piece of double stranded helical DNA are joined so that it forms a circle the strands are topologically knotted. This means the single strands cannot be separated any process that does not involve breaking a strand (such as heating). The task of un-knotting topologically linked strands of DNA falls to enzymes termed topoisomerases. These enzymes are dedicated to un-knotting circular DNA by cleaving one or both strands so that another double or single stranded segment can pass through. This un-knotting is required for the replication of circular DNA and various types of recombination in linear DNA which have similar topological constraints.

The linking number paradox[edit]

For many years, the origin of residual supercoiling in eukaryotic genomes remained unclear. This topological puzzle was referred to by some as the «linking number paradox».^[51] However, when experimentally determined structures of the nucleosome displayed an over-twisted left-handed wrap of DNA around the histone octamer,^[52][53] this paradox was considered to be solved by the scientific community.

See also[edit]

• Comparison of nucleic acid simulation software
• DNA nanotechnology
• G-quadruplex
• Molecular models of DNA
• Molecular structure of Nucleic Acids (publication)
• Non-B database
• Triple-stranded DNA

References[edit]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: ДНК — двойная спираль? Не всегда. Отдельные островки наших молекул наследственности могут по ошибке принимать довольно экзотические формы. Например, сворачиваться в спирали из четырех полигуаниновых нитей — вопреки классическим принципам молекулярной биологии. Но действительно ли подобные аномалии возникают «по ошибке»? Или природа давно уже «оседлала» эту странность нуклеиновых кислот, поставив её себе на службу? Можно ли считать четверные G-спирали рабочими «деталями» сложнейшей машины геномной регуляции? И случайна ли их причастность к процессам старения и канцерогенеза?

В мистическом фильме Д. Аронофски «Фонтан» присутствует весьма интересный образ. Конкистадор, отправившийся по велению испанской королевы на поиски древа вечной жизни (далекими прототипами героев здесь, по-видимому, послужили первооткрыватель Флориды Понсе де Леон и король Испании Фердинанд), находит его в храме индейцев Майя в Южной Америке. Однако, вкусив млечного сока этого древа, герой понимает, что что-то пошло не так. Вместо того чтобы обрести бессмертие, он начинает прорастать цветущей травой и полностью становится субстратом для этой буйной, паразитической по сути, растительности. Иными словами, у человека и у природы могут быть разные, если можно так выразиться, представления о жизненной силе и долголетии. И, возможно, именно поэтому в поисках путей продления жизни, мы постоянно натыкаемся на опасность канцерогенеза. Будь это исследования в области стволовых клеток, попытки преодолеть так называемый предел Хейфлика с помощью фермента теломеразы либо иные способы борьбы с клеточным старением. Всякий раз геронтология и онкология идут «рука об руку», теснейшим образом переплетаясь. И одной из точек сопряжения этих двух областей можно считать удивительные структурные аномалии ДНК, носящие название G-квадруплексов…

ДНК не по канону

Мы привыкли думать о ДНК как о двойной спирали, в которой азотистые основания нуклеотидов на противоположных цепях однозначно соответствуют друг другу: аденин — тимину, гуанин — цитозину. Эта, безусловно, фундаментальная особенность нуклеиновых кислот лежит в основе механизмов наследственности. Именно благодаря ей становятся возможными удвоение и корректирование ДНК, а также реализация генетической информации в структуре РНК и белков.

Однако на деле наши молекулы наследственности оказываются куда гибче, подвижнее и причудливее, нежели это было некогда описано легендарными нобелевскими лауреатами Дж. Уотсоном и Ф. Криком. Например, подобно РНК, ДНК может формировать так называемые шпильки, которые на двойной спирали приобретают вид крестообразных структур (рис. 1). Эти «аномальные» образования принимают активное участие в регуляции работы с генетической информацией и задействованы как в копировании ДНК (репликации) [1], так и в переносе информации с ДНК на РНК (транскрипции) [2].

Конечно, «крестами» и шпильками дело не ограничивается. К числу возможных конформаций ДНК относятся также тройные (рис. 2Б) и даже четверные спирали (рис. 2В), возникающие в результате неканонических связей между азотистыми основаниями [3]. В течение последнего десятилетия заметно возросло внимание к так называемым G-квадруплексам — структурам, представляющим собой спирали из четырех нитей ДНК или РНК, соединенных одними только гуанинами. Постепенно выясняется, что эти образования играют весьма важную роль в регуляции активности генов, в генетической изменчивости и в функционировании теломер [4].

Способность гуанина к самоассоциации была обнаружена еще в конце 19 века. И только в 1962 году удалось установить, что в растворах он образует агрегаты из четырех молекул (называемых G-квартетом, или G-тетрадой) [5]. Такие тетрады скрепляются между собой неканоническими (то есть, не предусмотренными в модели Уотсона — Крика) водородными связями, называемыми «хугстиновскими» — по фамилии их первооткрывателя [6]. При этом входящие в них гуанины располагаются в одной плоскости и нуждаются в стабилизации моновалентными катионами (например, K⁺ или Na⁺) (рис. 3а).

Содержащие гуанин нуклеиновые кислоты в растворе могут образовывать такие структуры из одной, двух или четырех различных нитей (рис. 3б). Однако стабильными они будут лишь в том случае, когда три и более G-тетрады сгруппируются в плотную «стопку», «подперев» друг друга межплоскостными стекинг-взаимодействиями и сформировав тем самым G-квадруплекс (G4-структуру). А для этого, в свою очередь, необходима «счастливая встреча» четырех полигуаниновых участков (GGGn), находящихся либо на одной, либо на разных молекулах ДНК или РНК [7].

Правда, на каждое правило есть свои исключения. Здесь можно привести в пример синдром ломкой X-хромосомы, возникающий вследствие экспансии многочисленных (более 200) повторов (CGG) в гене FMR1, необходимом для развития нервной системы. Матричная РНК такого мутантного гена способна формировать вполне стабильные четверные спирали даже из двухгуаниновых мотивов. То есть, в нашей «стопке» будет всего лишь две G-тетрады (рис. 4) [10].

«Значит, это кому-нибудь нужно?» © В. Маяковский

Разумеется, то, что возможно в пробирке, далеко не всегда имеет место в живой клетке. Однако последние годы было убедительно показано, что G-квадруплексы действительно образуются in vivo в хромосомах живых организмов [11, 12]. И, кроме того, методами биоинформатики в геноме человека обнаружено порядка 376 тысяч районов, в которых потенциально могут возникать эти четырехспиральные образования. Интересно, что такие участки, как правило, находятся в составе регуляторных генетических элементов (промоторов, терминаторов, нетранслируемых последовательностей матричной РНК), теломер, рибосомных РНК и интронов, то есть последовательностей, не кодирующих структуру белка. Тогда как кодирующие фрагменты ДНК (экзоны) преимущественно «очищены» от подобных нуклеотидных мотивов [13, 14]. И неудивительно! Ведь, забегая вперед, нельзя не отметить, что такие гуаниновые «узелки» способны становиться очагами генетической нестабильности, провоцируя появление серьезных мутаций. Поэтому направленность естественного отбора в данном случае вполне понятна.

Однако почему-то всё тот же естественный отбор способствовал заметному скоплению потенциальных G4-структур в области генных промоторов, то есть, участков ДНК, определяющих производительность данного гена и позволяющих её регулировать [13]. Причем особенно ярко это выражено в группе онкогенов, повышенная активность которых необходима для возникновения и развития раковых опухолей. Тогда как, к примеру, встречаемость вероятных G-квадруплексов в промоторах генов — супрессоров раковых опухолей (призванных подавлять канцерогенез) значительно ниже, чем в среднем по геному [15, 16]. Более того, последовательности многих промоторов и интронов, особо обогащенных потенциальными G4-структурами, достаточно консервативны, то есть несут общие черты у целого ряда эукариотических организмов [17, 18].

Картину дополняет то обстоятельство, что живые системы не пожалели времени и сил на выработку специальных белков, способных связываться с G-квадруплексами, либо формируя и стабилизируя их, либо «разворачивая», «расплетая» или просто разрезая [19]. Бесполезным или «не существующим» в клетке структурам (каковыми их вплоть до недавнего времени считали многие исследователи) эволюция столько внимания не уделяет. Как отметил более 30 лет назад нобелевский лауреат Аарон Клуг: «Если G-квадруплексы так легко формируются in vitro, природа, должно быть, нашла путь применения их in vivo» [4]. С каждым годом мы получаем всё больше подтверждений этому прозорливому высказыванию.

Из двойной спирали — в четверную

Чтобы сформировать в ДНК такую крупную структуру, как G-квадруплекс, необходимо предварительно подвергнуть плавлению (разъединить) соответствующий участок классической двойной спирали. Длина таких участков может составлять несколько десятков нуклеотидов. К примеру, общая формула для поиска потенциальных G4-структур в геноме, использованная в работах исследователей из Кэмбриджского университета, выглядела как (G₃+N_1—7G₃+N_1—7G₃+N_1—7G₃) — то есть, предполагала длину квадруплекса от 15 до 33 пар оснований [13] (хотя это далеко не единственный вариант [14]). Теоретически G-квадруплексы могут возникнуть практически в любом месте генома— при условии образования достаточно длинного однонитевого ДНК-фрагмента [16]. Другое дело, что по показателям стабильности они будут существенно проигрывать.

Наиболее благоприятные условия для высвобождения протяженных кусочков одноцепочечной ДНК создаются, прежде всего, во время репликации. И действительно: количество G4-структур в клетке заметно (приблизительно в пять раз) возрастает именно при удвоении хромосом [20]. В идеале, по завершении копирования наследственного материала все гуаниновые «узелки» (и старые, и новые) должны удаляться, поскольку в это время клетка буквально «причесывает» свою ДНК. Однако, как показывает практика, часть G-квадруплексов остается и присутствует в геноме на протяжении всего клеточного цикла [11, 12, 20]. Более того, по-видимому, сам процесс репликации нуждается в наличии G4-структур. В частности, они входят в состав ориджинов (геномных районов, с которых начинается репликация) позвоночных животных и, по одной из версий, определяют направление движения ДНК-полимеразы — «копировальной машины» ДНК [21, 22].

Образованию четверных гуаниновых спиралей могут способствовать не только репликация, но и транскрипция (считывание гена), а также репарация (починка) хромосом [23]. Кроме того, в ядре возможно спонтанное плавление двойной спирали ДНК, возникающее в результате тех или иных молекулярных эффектов [24, 25]. В конце концов, появление G4-структур может быть обусловлено целенаправленным воздействием на ДНК специальных белков — шаперонов, призванных формировать квадруплексы там, где это положено [19].

Куда легче дело обстоит с РНК, однонитевыми по своей природе молекулами. Исключительная гибкость и отсутствие «обременения» в виде второй комплементарной цепочки позволяет им свободно принимать самые разнообразные конформации. И не случайно потенциальные G4-спирали нашлись в нетранслируемых (то есть, входящих в состав матричной РНК, но структуру белка не кодирующих) областях более чем 3000 человеческих генов [26, 27]. Кроме того, в последние годы перспективным представляется исследование гибридных квадруплексов, состоящих из ДНК и РНК. Интересно, что для их формирования достаточно не четырех, а всего лишь двух полигуаниновых участков на ДНК (два других автоматически будут присутствовать на считываемой с гена РНК) [28].

На самом краю хромосомы

А теперь — всё внимание таким удивительным ядерным структурам, как теломеры [29]! Располагаясь на концах линейных хромосом ядерных организмов, они призваны защищать генетический материал от разрушения. Структуры всех эукариотических теломер удивительно консервативны: они представляют собой цепочку из многократно повторяющихся нуклеотидных мотивов. В человеческом геноме это мотив (TTAGGG) (обратим внимание читателя на тройной гуанин), воспроизведенный 1000–2000 раз [30]! Не правда ли, идеальная среда для возникновения многочисленных G-квадруплексов? Но и это еще не всё: на конце теломер человека и других теплокровных животных располагается довольно протяженный, 30–300 нуклеотидов, участок однонитевой ДНК со свободным 3’-концом [31]. Состоит он из всё тех же повторов (ТТАGGG). И уж здесь-то образованию гуаниновых узелков ничто не мешает.

Теломерные последовательности, будучи извлеченными из ядра или синтезированными, действительно массово формируют G-квадруплексы [4]. Однако доказательство их наличия в клетке требует куда более тонких подходов. С помощью меченых антител, специфически связывающихся с G4-структурами, было показано, что последние действительно образуются на концах хромосом (правда, не всех). По крайней мере, около 20% всех сигналов были зафиксированы именно там [20]. Возникают ли обнаруженные квадруплексы собственно в теломерах либо в близлежащих областях хромосом, по этим данным сказать трудно, поскольку разрешение метода сильно ограничено. Однако нам достоверно известно, что многие теломерные белки действительно взаимодействуют с G4-структурами (либо формируя их, либо разрушая), и это один из главных аргументов в пользу их полноценного участия в жизни теломер [19]. А уж о том, что эта «жизнь» чрезвычайно важна для нас в контексте вопроса о здоровье и долголетии, говорить не приходится.

Судя по всему, G-квадруплексы задействованы в формировании защитного колпачка, или кэпа, на конце теломеры. В клетках человека такое «кэпирование» осуществляется шелтерином — комплексом из шести белков. Он предохраняет линейную хромосому от излишнего внимания клеточных «контролёров», считающих, что конец цепочки ДНК — это повреждение, требующее соответствующих методов «лечения». А в области теломер такое «лечение» оборачивается катастрофическими последствиями: «сшивкой» разных хромосом и, в итоге, гибелью клетки либо запуском канцерогенеза [32].

С G4-структурами взаимодействуют такие шелтериновые белки, как TRF2 и POT1. При этом TRF2 связывает и стабилизирует квадруплексы на однонитевом 3’-фрагменте, тогда как POT1 обусловливает распад гуаниновых четверных спиралей [19]. Иными словами, квадруплексы при образовании «кэпа» нужны, но дозированно.

Предполагаются самые разнообразные варианты участия G4 ДНК в «кэпировании» хромосом [33]. G-квадруплекс может быть необходим для образования специфической теломерной структуры, именуемой T-петлей (теломерной петлей) (рис. 5, 6а). Он возникает либо при простом запетливании однонитевого 3’-фрагмента (рис. 6б), либо при его внедрении в двойную спираль теломерной ДНК (рис. 6в) [34]. Таким образом осуществляется маскировка свободного 3’-конца (в общем случае распознаваемого клеткой как сигнал тревоги) [33].

Помимо этого, обсуждаются альтернативные T-петле способы «кэпирования» хромосом. По одной из версий, одноцепочечная 3’-ДНК формирует плотный ряд G-квадруплексов, стабилизирующих однонитевой фрагмент и предохраняющих его от деградации особо ретивыми клеточными белками (рис. 7) [35]. Вероятно, подобный способ защиты теломеры используется в тех случаях, когда полноценного шелтерина на конце хромосомы не образуется [36].

Не исключено, что в клетках человека в той или иной мере реализуются оба способа «обороны» теломеры с участием G4-образований. Иное дело, что такая «оборона» может оборачиваться для нас рядом неприятных моментов.

Точка обратного отсчета

Согласно наиболее популярной точке зрения, именно в теломерах спрятан ключ (по крайней мере, один из главных таких ключей) к пониманию процесса старения и ограниченной продолжительности нашей жизни. Линейные хромосомы, в отличие от циклических, коими могут похвастаться большинство доядерных организмов, как правило, не способны удваиваться вечно. Каждый цикл репликации, в силу особенностей организации этого ферментативного механизма, приводит к укорочению одной из дочерних нитей ДНК на 50–100 нуклеотидов. В итоге, после 50–60 раундов копирования наследственного материала потери в длине теломеры становятся неприемлемыми, поэтому клетка запускает процесс своего старения (сенесценции) либо гибнет [30, 37]. Правда, всем известные стволовые клетки являются ярким исключением из этого общего правила [38, 39]. (А еще — клетки растений, меняющие длину теломер в зависимости от времени года [40].)

Исследуя механизмы старения человека, невозможно обойти вниманием такое наследственное заболевание как синдром Вернера. Проявляется оно в ускоренном старении организма и сопровождается всеми сопутствующими эффектами: снижением иммунитета, повышением риска раковых заболеваний, многочисленными физиологическими нарушениями, характерными для людей преклонного возраста. Причиной этого синдрома оказалось нарушение структуры белка — геликазы WRN, основной функцией которого является расплетание теломерных квадруплексов. В результате во время репликации синтез дочерней цепи ДНК тормозится и обрывается в месте образования G4-структуры. Это приводит к галопирующему укорочению теломер и, соответственно, раннему запуску клеточного старения [41]. Аналогичного эффекта в культурах клеток можно добиться искусственным путем, повышая стойкость квадруплексов за счет их связывания со специальными химическими веществами [42].

Можно спорить по поводу применимости модели наследственного заболевания в деле расшифровки механизмов нормального, не патологичного старения. Однако совершенно не исключено, что не расплетенные вовремя теломерные квадруплексы задействованы и в этом случае. Вспомним, к примеру, как долгое время считалось, что синдром прогерии Хатчинсона-Гилфорда, связанный с преждевременным старением у детей, не имеет отношения к старению как таковому. В дальнейшем же было показано, что вызывающий эту болезнь прогерин образуется и в коже обычных пожилых людей [43].

Помимо этого, не секрет, что одной из вероятных причин старения является накопление в геноме повреждений, вызванных окислением свободными радикалами [44]. Причем существенная часть из них концентрируется именно на теломерах [45]. Возможных объяснений такому предпочтительному поражению кончиков хромосом довольно много. По-видимому, в этом виновны и сниженная (силами шелтериновых белков) активность ферментов «ремонта» ДНК, и особенности нуклеотидной последовательности теломерной ДНК. И здесь опять имеет смысл вспомнить про наши G-квадруплексы! Ведь они, помимо всего прочего, оказываются особенно чувствительными к окислительным повреждениям [46].

Смертельно опасная «вечная» жизнь

Говоря о теломерных G4-структурах, нельзя обойти вниманием тот интригующий факт, что, располагаясь на концах 3’-выступа, они блокируют работу теломеразы. А ведь это тот самый широко популяризованный фермент, на который возлагалось столько надежд, и за изучение которого в 2009 году была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине! Теломераза наращивает 3’-концы теломер и таким образом нивелирует их естественное укорочение. Иными словами — продлевает активную жизнь хромосомам и, соответственно, клетке [29]. Однако G-квадруплексы не просто мешают теломеразе делать свое дело — помимо этого, они, располагаясь в области промотора гена TERT, подавляют ее синтез в клетке [47]. И, конечно, этот эффект можно было бы счесть за негативный, если бы не один весьма печальный факт. Дело в том, что избыточная активность теломеразы создает весьма благоприятную среду для перерождения нормальных клеток в раковые. От работы этого фермента сильно зависят порядка 90% всех злокачественных опухолей, ведь он позволяет перерожденным клеткам делиться бесконечно долго [47].

Блокирование работы теломеразы составляет одну из функций гена BRCA1. BRCA1 — широко известный супрессор раковых опухолей, то есть ген — «борец» с канцерогенезом. Он является важным компонентом системы исправления ошибок в ДНК и контролирует активность целого ряда генов, в том числе задействованных в образовании опухолей [48]. Поэтому мутации в BRCA1 зачастую приводят к развитию рака груди и яичников [49], а в России они — в «лидерах» генетических причин возникновения онкозаболеваний [50]. Интересно, что подавление теломеразы этим (весьма немаловажным, как мы убедились) белком осуществляется не только за счет регуляции активности кодирующего её гена TERT [51], но и за счет прямого вмешательства в её работу на теломерах. В частности, предполагают, что BRCA1 связывается с теломерными квадруплексами и стабилизирует их, в результате чего наш «фермент молодости» остаётся не у дел [19].

Как было отмечено выше, TERT — отнюдь не единственный регулируемый G-квадруплексами ген, благоприятствующий развитию злокачественных опухолей [15]. Помимо него в этом ряду фигурируют c-MYC, c-KIT, BLC2, VEGF, HIF-1a и целый ряд других известных онкогенов [52]. Разумеется, такая закономерность не могла не привлечь внимания ученых, занятых поиском средств против рака. Сегодня существует целый ряд работ, посвященных влиянию тех или иных квадруплекс-связывающих веществ на рост и развитие раковых клеток. И, по результатам этих исследований, искусственное укрепление G-квадруплексов представляется чрезвычайно перспективным путем лечения онкологических заболеваний [47, 52].

По лезвию бритвы

Как гласит известная легенда, Будда Шакьямуни обрел просветление, услышав фразу учителя музыки, адресованную его ученику: «Если ты ослабишь струну, музыка не зазвучит, а если ты перетянешь её, она порвется». И этот принцип в полной мере относится ко множеству, если не ко всем биологическим процессам.

Те же самые G4-структуры, которые столь перспективны в рамках лечения раковых опухолей, могут сами по себе становиться провокаторами канцерогенных заболеваний. Вспомним вышеупомянутый синдром преждевременного старения Вернера. Возникает он на фоне недееспособности геликазы WRN, в норме «развязывающей» гуаниновые «узелки» на теломерах. В наших клетках существует целый спектр таких белков, призванных тем или иным способом удалять G-квадруплексы, дабы освободить дорогу ферментам репликации. Если же этого не происходит, то копирование ДНК стопорится в месте образования G4-структуры. В результате запускается целый ряд процессов, приводящих к разрывам ДНК, хромосомным перестройкам и мутациям наследственного материала [36, 41].

Так, например, при повреждении гена специализированной на G-квадруплексах геликазы BLM возникает синдром Блума. Проявляется он в низкорослости и ранней предрасположенности к целому ряду онкозаболеваний. Нарушение функции геликазы FANJ приводит к развитию анемии Фалькони, сопровождающейся повышенной хрупкостью хромосом и склонностью к лейкозам. Аналогичным образом мутации в гене геликазы RETL1 увеличивают чувствительность организма к некоторым видам рака. Этот список можно было бы продолжить целым рядом наследственных заболеваний, провоцирующих канцерогенез. И все они связаны с генетической и теломерной нестабильностью, вызванной «стойкими» ДНК- и РНК-квадруплексами [41].

Иными словами, чтобы «музыка», исполняемая оркестром генных и теломерных G-квадруплексов, звучала, необходима тонкая настройка их жесткости. По-видимому, мы имеем дело с чрезвычайно широкой и сложной сетью структурных ДНК-аномалий. Возникающих как спонтанно, так и при помощи специальных белков. Чувствительных как к молекулярному окружению, так и к физико-химическим условиям среды. Способных как предотвращать раковые заболевания, так и провоцировать их. Принимающих участие как в защите теломер, так и в процессах клеточного старения.

1. Pearson C.E., Zorbas H., Price G.B., Zannis-Hadjopoulos M. (1996). Inverted repeats, stem-loops, and cruciforms: significance for initiation of DNA replication. J. Cell Biochem. 63, 1–22;
2. Wadkins R.M. (2000). Targeting DNA secondary structures. Curr. Med. Chem. 7, 1–15;
3. Франк-Каменецкий М. (2015). Необычные формы ДНК. Портал «ПостНаука»;
4. Rhodes D. and Lipps H.J. (2015). G-quadruplexes and their regulatory roles in biology. Nucl. Acids Res. 43, 8627–8637;
5. Gellert M., Lipsett M.N., Davies D.R. (1962). Helix formation by guanylic acid. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 48, 2013–2018;
6. Hoogsteen K. (1963). The crystal and molecular structure of a hydrogen-bonded complex between 1-methylthymine and 9-methyladenine. Acta Cryst. 16, 907–916;
7. Burge S., Parkinson G.N., Hazel P., Todd A.K, Neidle S. (2006). Quadruplex DNA: sequence, topology and structure. Nucl. Acids Res. 34, 5402–5415;
8. Kotlyar A.B., Borovok N., Molotsky T., Cohen H., Shapir E., Porath D. (2005). Long, monomolecular guanine-based nanowires. Adv. Mat. 17, 1901–1905;
9. Ngo V.A., Felice R.D., Haas S. (2014). Is the G-quadruplex an effective nanoconductor for ions? J. Phys. Chem. B. 118, 864–872;
10. Kettania A., Kumara A.R., Patela D.J. (2014). Solution structure of a DNA quadruplex containing the fragile X syndrome triplet repeat. J. Mol. Biol. 254, 638–656;
11. Lam E.Y., Beraldi D., Tannahill D., Balasubramanian S. (2013). G-quadruplex structures are stable and detectable in human genomic DNA. Nat. Commun. 4, 1796–1780;
12. Rodriguez R., Miller K.M., Forment J.V., Bradshaw C.R., Nikan M., Britton S. et al. (2012). Small-molecule-induced DNA damage identifies alternative DNA structures in human genes. Nat. Chem. Biol. 8, 301–310;
13. Huppert J.L. and Balasubramanian S. (2005). Prevalence of quadruplexes in the human genome. Nucl. Acids Res. 33, 2908–2916;
14. Todd A.K., Johnston M., Neidle S. (2005). Highly prevalent putative quadruplex sequence motifs in human DNA. Nucl. Acids Res. 33, 2901–2907;
15. Eddy J. and Maizels N. (2006). Gene function correlates with potential for G4 DNA formation in the human genome. Nucl. Acids Res. 34, 3887–3896;
16. Maizels N. and Gray L.T. (2013). The G4 Genome. PLoS Genet. 9, e1003468;
17. Fernando H., Reszka A.P., Huppert J., Ladame S., Rankin S., Venkitaraman A.R. et al. (2006). A conserved quadruplex motif located in a transcription activation site of the human c-kit oncogene. Biochem. 45, 7854–7860;
18. Eddy J. and Maizels N. (2008). Conserved elements with potential to form polymorphic G-quadruplex structures in the first intron of human genes. Nucl. Acids Res. 36, 1321–1333;
19. Brazda V., Haronikova L., Liao J.C., Fojta M. (2014). DNA and RNA quadruplex-binding proteins. Int. J. Mol. Sci. 15, 17493–17517;
20. Biffi G., Tannahill D., McCafferty J., Balasubramanian S. (2013). Quantitative visualization of DNA G-quadruplex structures in human cells. Nat. Chem. 5, 182–186;
21. Leonard A.C. and Mechali M. (2013). DNA replication origins. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 5, a010116;
22. Valton A.L., Hassan-Zadeh V., Lema I., Boggetto N., Alberti P., Saintome C. et al. (2014). G4 motifs affect origin positioning and efficiency in two vertebrate replicators. EMBO J. 33, 732–746;
23. Li W., Wu P., Ohmichi T., Sugimoto N. (2002). Characterization and thermodynamic properties of quadruplex/duplex competition. FEBS Lett. 526, 77–81;
24. Miyoshi D., Karimata H., Sugimoto N. (2006). Hydration regulates thermodynamics of G-quadruplex formation under molecular crowding conditions. J. Am. Chem. Soc. 128, 7957–7963;
25. Nikolova E.N., Kim E., Wise A.A., O’Brien P.J., Andricioaei I., Al-Hashimi H.M. (2011). Transient Hoogsteen base pairs in canonical duplex DNA. Nature. 470, 498–502;
26. Bugaut A. and Balasubramanian S. (2012). 5′-UTR RNA G-quadruplexes: translation regulation and targeting. Nucl. Acids Res. 40, 4727–4741;
27. Beaudoin J.D. and Perreault J.P. (2013). Exploring mRNA 3′-UTR G-quadruplexes: evidence of roles in both alternative polyadenylation and mRNA shortening. Nucl. Acids Res. 41, 5898–5911;
28. Xiao S., Zhang J.Y., Zheng K.W., Hao Y.H., Tan Z. (2013). Bioinformatic analysis reveals an evolutional selection for DNA:RNA hybrid G-quadruplex structures as putative transcription regulatory elements in warm-blooded animals. Nucl. Acids Res. 41, 10379–10390;
29. «Нестареющая» Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе;
30. Старение — плата за подавление раковых опухолей?;
31. Makarov V.L., Hirose Y., Langmore J.P. (1997). Long G tails at both ends of human chromosomes suggest a C strand degradation mechanism for telomere shortening. Cell. 88, 657–666;
32. Sfeir A. and Lange T. (2012). Removal of shelterin reveals the telomere end-protection problem. Science. 336, 593–597;
33. Galati A., Micheli E., Cacchione S. (2013). Chromatin Structure in Telomere Dynamics. Front. Oncol. 3, 46;
34. Табу в науке: лаборатория, задававшая неправильные вопросы;
35. Bochman M.L., Paeschke K., Zakian V.A. (2012). DNA secondary structures: stability and function of G-quadruplex structures. Nat. Rev. Genet. 13, 770–780;
36. Brosh R.M. Jr. (2011). Put on your thinking cap: G-quadruplexes, helicases, and telomeres. Aging (Albany NY). 3, 332–335;
37. Levy M.Z., Allsopp R.Z., Futcher A.B., Greider C.W., Harley C.B. (1992). Telomere end-replication problem and cell aging. J. Mol. Biol. 225, 951–960;
38. Была клетка простая, стала стволовая;
39. Ствол и ветки: стволовые клетки;
40. Длина теломер и времена года;
41. Brosh R.M. Jr. (2013). DNA helicases involved in DNA repair and their roles in cancer. Nat. Rev. Cancer. 13, 542–558;
42. Incles C.M., Schultes C.M., Kempski H., Koehler H., Kelland L.R., Neidle S. (2004). A G-quadruplex telomere targeting agent produces p16-associated senescence and chromosomal fusions in human prostate cancer cells. Mol. Cancer Ther. 3, 1201;
43. Burtner C.R. and Kennedy B.K. (2010). Progeria syndromes and ageing: what is the connection? Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11, 567–578;
44. Wickens A.P. (2001). Ageing and the free radical theory. Respir. Physiol. 128, 379–391;
45. Sun L., Tan R., Xu J., LaFace J., Gao Y., Xiao Y. et al. (2015). Targeted DNA damage at individual telomeres disrupts their integrity and triggers cell death. Nucl. Acids Res. 43, 6334–6347;
46. Clark D.W., Phang T., Edwards M.G., Geraci M.W., Gillespie M.N. (2012). Promoter G-quadruplex sequences are targets for base oxidation and strand cleavage during hypoxia-induced transcription. Free Radic. Biol. Med. 53, 51–59;
47. Patel D.J., Phan A.T., Kuryavyi V. (2007). Human telomere, oncogenic promoter and 5′-UTR G-quadruplexes: diverse higher order DNA and RNA targets for cancer therapeutics. Nucl. Acids Res. 35, 7429–7455;
48. Rosen E.M. (2013). BRCA1 in the DNA damage response and at telomeres. Front. Genet. 4, 85;
49. Рак молочной железы с семейной историей;
50. Любченко Л.Н. Наследственный рак молочной железы и/или яичников: ДНК-диагностика, индивидуальный прогноз, лечение и профилактика: дис. … д-ра мед. наук. — Москва, 2009;
51. Xiong J., Fan S., Meng Q., Schramm L., Wang C., Bouzahza B. et al. (2003). BRCA1 inhibition of telomerase activity in cultured cells. Mol. Cell Biol. 23, 8668–8690;
52. Balasubramanian S., Hurley L.H., Neidle S. (2011). Targeting G-quadruplexes in gene promoters: a novel anticancer strategy? Nat. Rev. Drug Discov. 10, 261–275..