ФИЗИКА ДУПЛЕКСА-"ВТОРОЙ РОДНОЙ" ЯЗЫК ДНК

Недогматические последовательности

Согласно центральной догме молекулярной биологии (ЦДМБ), генетическая информация реализуется как поток информации от ДНК к #РНК и далее –к белку. В основе такой передачи лежит матричный синтез, т.е. способность биополимера служить матрицей для полученияновыхмолекул.Данныйпотокинформацииявляетсяоднонаправленнымзаисключением "развернутого" перехода от РНК к ДНК в довольно редком случае обратной транскрипции. Эта догма легла в основу молекулярной биологии в середине прошлого века. Довольно скоро выяснилось, что не вся последовательность ДНК оказывается "переписана" на язык РНК (#транскрипция ) и тем более –на язык белка (#трансляция ). Часть останавливается на уровне РНК (некодирующих –включая транспортные, рибосомную и различные типы регуляторных РНК). Некоторые последовательности ДНК “не доходят” даже до уровня РНК, но при этом успешно выполняют вспомогательные, регуляторные функции. Иными словами, некоторый участок ДНК может участвовать в процессе экспрессии (как бы “претворения генетической информации в жизнь”) в различных ролях. Если ДНК не кодирует некоторую структуру биополимера, она, тем не менее, может настраиваемо управлять экспрессией генов, служить в качестве области, ответственную за прикрепление структурных белков, репликацию ДНК, в качестве центромер, теломер и т.д.) [3].Таким образом, не являясь кодирующими, области ДНК могут тем не менее быть значимыми, функциональными. Разумеется, при этом они выполняют другие и очень разнообразные геномные функции; механизмы их работы могут также сильно разниться.

Любопытно отметить, что в случае человеческого генома на функциональную часть (противопоставляемую в данном случае генетическому мусору –"темной материи" ДНК) приходится, по различным оценкам, 10-15% либо свыше 20%. При этом из нихкодирующими являются лишь 2% генома Homo sapiens[5].В чем же различие между кодирующими и не кодирующими, но функциональными регионами ДНК на уровне механизмов их работы? Кодирующие последовательности содержат информацию о собственно структуре матричных биополимеров –своей собственной и структуре расположенных "ниже по течению" центральной догмы. В случае функциональных некодирующих участков ДНК, не переходящих при этом на уровень РНК –информация служит для регуляции на данном "этаже" центральной догмы. В частности, такие свойства управляют узнаванием ДНК другими молекулами –прежде всего главными "рабочими лошадками" всякой клетки –белками, а точнее –белкамиДНК-связывающими.Поток генной экспрессии представляет собой исключительно сложное явление и подчас имеет плохо предсказуемое поведение. Говоря языком математического моделирования, он имеет нелинейное поведение. Это означает, что небольшие изменения в этой многокомпонентной системе могут вызывать неожиданно сильные перестройки. Именно поэтому это ещё и #система со сложной и надежной регуляцией, которая призвана уберечь ее от хаоса. Регуляция определяет, какие процессы в данный момент должныпротекать активнее либо медленнее, включаться и выключаться. Она включает в себя и саморегуляцию (способность устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные физиологические функции), и такое более частное явление, как авторегуляция (свойство конкретного гена, продукт которого регулирует его собственную экспрессию) [6].Что же делает возможным такое хитроумное поведение системы? На уровне транскрипции –то, какие белки, на каком сайте и как связывают ДНК и какие последующие перестройки за этим следуют. Такую возможность обеспечивает переключаемость ДНК-белковых взаимодействий. А она, в свою очередь, требует специфичности (избирательности) посадки белка. Как же находят ДНК-связывающие свои целевые сайты –в нужный момент времени и в нужном состоянии?Данная избирательность может объясняться наличием особых "слов" в последовательности нуклеотидов. Хороший пример представляют собой эндонуклеазы рестрикции (рестриктазы). Эти ферменты очень специфичны и связывают особые предназначенные для их узнавания сайты –определенные последовательности ДНК длиной всего несколько нуклеотидов. После этого они расщепляют их в точно заданном относительно сайтов связывания положении (например, в 6 нуклеотидах дальше от такого сайта) [7]. Другие регуляторные ДНК-связывающие белки ведут себя несколько сложнее в том отношении, что места их посадки не могут быть определены просто наличием слова-"пароля" в нуклеотиднойпоследовательности. Примером служат точки инициации ("запуска") репликации ДНК, сайты посадки транскрипционных факторов и т.д. Особый интерес в этом отношении представляют промоторы –участки ДНК, на которых происходит первый этап транскрипции (ее инициация), поскольку изучение именно их физических свойств особенно актуально.

Рис. 3. Распределение электростатического заряда на поверхности ДНК,последовательность которой представляет повторы АТ (поли-АТ).Цветом обозначена величина заряда [11].

Причина состоитв том, что #промоторы обычно не имеют четкого и строго определенного мотива (определенных "слов" генетического текста). Однако для них описаны ряд структурных и физических особенностей, напрямую определяющих их связывание с ответственными за транскрипцию белками (прежде всего -РНК-полимеразой, которая, собственно, и синтезирует РНК). Особенно удобно изучать транскрипцию у бактерий, поскольку в их случае РНК-полимераза является единственным необходимым белком (у эукариот –ядерных организмов –вовлекаются идругие участники) [8]. Дополнительная актуальность данной тематики следует из одной из традиционных задач биоинформатики, имеющей множество практических приложений. Речь идёт о предсказании промоторных областей, т.е. использовании машинного обучения для определения локализации промоторов вне исследованных в этом отношении геномах. Отсутствие строго определенных (консенсусных) последовательностей промоторов сделал эту задачу постоянно решаемой и не получающей удовлетворительного решения. С использованием альтернативного подхода, основанного на рассмотрении физических свойств дуплекса, наметился значительный прогресс в этой области. Особенно эффективным мы считаем использование нескольких различныхфизическихсвойств #ДНК одновременно [9].Таким образом,собственно последовательность нуклеотидов не может объяснить закономерности работы промоторных областей.Далее мы рассмотримподробнее,чтоименноопределяетпроцессихспецифического и настраиваемого взаимодействия с машинерией транскрипции ДНК.Физика ДНК–ее “второй язык”Для начала разберемся с терминологией, а именно с различием между прямым и непрямым узнаванием ДНК белком. Прямое распознавание (англ. directreadout) подразумевает конкретные взаимодействия между определенными аминокислотными остаткамиполипептидной цепи и нуклеотидами ДНК. Информация о таких контактах может быть получена при исследовании кристаллической структуры комплекса ДНК-белок. Однако все больше исследований указывают на важность, в дополнение к прямому распознаванию, ряда физических и структурных параметров ДНК в ходе так называемого непрямого узнавания (англ. “indirectreadout”). В соответствии с этим для ряда модельных систем (классические объекты исследования) показана важность непрямого распознавания (связывания). Имеющие в этом случае сигнальное для белка значение характеристики дуплекса определяют уже не изолированные нуклеотиды, а их совокупность в виде определенного контекста. Основанные на непрямом прочтении механизмы связывания подразумевают считывание белком структурныххарактеристик ДНК, в том числе большого и малого желобков, полифосфатного остова, внутренне присущей изогнутости дуплекса в целом, параметров его гидратирования, гибкость и т.д.К моделированию некоторого объекта можно подходить, рассматривая различные типывзаимодействий, фундаментальные физические силы и т.д. В соответствии с этим ДНК можно рассматривать с разных позиций -ее заряда, стабильности, структуры... -множества физических свойств ДНК. Иногда говорят также о ее физико-химических свойствах, однако, имея дело с одиночной молекулой ДНК, мы вряд ли можем разграничить физику и физико-химию, так что будем говорить только о ее физике для краткости. Транскрипция, как и другие процессы экспрессии генов, носит многостадийный характер со сложным разворачиванием во времени даже в случае бактерий (прокариот). Она включает последовательные этапы: инициация, элонгация и терминация. Промоторы вовлечены именно в инициацию транскрипции: они непосредственно прилежат к точке старта транскрипции (ТСТ), за которой следует собственно кодирующая последовательность. Для успешной инициации транскрипции РНК-#полимераза должна успешно сблизитьсяспромоторным участком ДНК, правильно сориентироваться относительно ДНК и сесть на нее, после чего ДНК должна быть расплавлена для успешного продвижения белков (комплекса элонгации) в процессе элонгации с наработкой РНК. На каждом из этих этапов решающее значение имеют различные физические свойства. Рассмотрим самые существенные в соответствии с этой хронологии физические свойства ДНК и их роль во взаимодействии ДНК и РНК-полимеразы [9-10].

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ https://enanos.nanometer.ru/uploads/archive/2020-prosto-o-slozhnom/2020-prosto-o-slozhnom_OrlovMA.pdf