Даже когда мы спим, в каждой из триллионов клеток нашего организма кипит работа, которой «дирижирует» ДНК. Множество белков обслуживает это хранилище генетической информации: одни из них «включают» нужные или «выключают» ненужные в данный момент гены, другие – ремонтируют «поломки» самой ДНК, которые постоянно случаются под действием неблагоприятных факторов, например, солнечной радиации или окислительного стресса. Чтобы уберечь нас от болезней и слишком быстрого старения, в хранилище ДНК постоянно снуют шустрые молекулярные «машины»: каждый белок ищет свой участок работы – уникальную мишень, «запрятанную» в огромной ДНК. При этом любая ошибка в поиске может привести к гибели клетки или к ее трансформации в раковую. Так как же как они это делают? О стратегиях и механизмах поиска в микромире – в статье молекулярного биолога Дмитрия Жаркова в новом выпуске журнала «НАУКА из первых рук»
Если сравнить ДНК с книгой, то человеческий геном окажется примерно в 2000 раз длиннее романа «Война и мир» – он состоит из шести млрд «букв»-нуклеотидов! Как же белку найти среди этого множества нужное для его работы «слово» или поломку, особенно небольшую?
Поиск – это движение. Некоторые белки двигаются по ДНК, как автомобили по шоссе с односторонним движением, методично просматривая все на своем пути. У них даже есть «моторчики», которые «заправляются» энергетическими молекулами АТФ. Такой поиск требует очень больших затрат энергии, поэтому большинство передвигается «автостопом», используя бесплатную энергию теплового движения. Наиболее оптимальная стратегия – двигаться по ДНК вправо или влево, а время от времени перепрыгивать в другое, произвольное место и начинать поиск с нуля. Такая комбинация – самый быстрый способ найти мишень.
Но как белки «понимают», что цель достигнута? Привычные нам органы чувств им заменяет способность создавать химические связи с несколькими критически важными участками ДНК-мишени. В этом смысле они похожи на незрячего человека, перебирающего четки и тщательно ощупывающего каждую бусину в поисках той самой, единственной.
Белки, участвующие в регуляции активности генов, ищут нужные участки, «катаясь» по контуру ДНК на своеобразной водяной подушке – тонком слое молекул воды. Нащупав два-три «подозрительных» места, белок тормозит, вода выдавливается из зоны контакта, и между белком и ДНК образуется множество слабых водородных связей. Белки репарации, патрулирующие ДНК в поисках повреждений, напоминают не серферов, а врачей-мануалов. Так как поврежденные «буквы»-нуклеотиды образуют менее прочные связи со своими соседями, белок-«ремонтник» сгибает ДНК, засовывая внутрь свои «пальцы» – аминокислотные остатки, так что поврежденное звено выворачивается наружу и, в случае узнавания, отрезается.
Изучение того, как белки передвигаются по ДНК и сканируют разные ее участки, представляет не только теоретический, но и немалый практический интерес. Эти данные, к примеру, можно использовать для создания принципиально новых классов противовирусных лекарств и повышения эффективности современных технологий редактирования генома, в которых используются молекулярные белковые «машины».
Понравился материал? Не забудьте поставить лайк и подписаться!
Подробнее об этом читайте в статье Дмитрия Жаркова «Молекулярное скорочтение: как белки ищут мишени в ДНК» в журнале «НАУКА из первых рук», 2019, № 3(83)