Как были обнаружены кольцевые ДНК? Почему ДНК высших организмов линейные? И какими преимуществами обладает кольцевая ДНК? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Максим Франк-Каменецкий.

Когда в 1953 году была открыта структура ДНК и началось бурное развитие молекулярной биологии, понимания структуры молекул жизни на атомном уровне, никому не приходило в голову, что ДНК может быть замкнутой в кольцо. Все считали само собой разумеющимся, что молекулы ДНК представляют собой линейные цепочки — двойная спираль. Но у них есть два конца, как было известно к тому времени много-много лет, — типично для обычных небиологических полимеров. И каково же было удивление, когда в начале 60-х годов, через 10 лет после открытия двойной спирали, изучая электронно-микроскопические фотографии маленьких вирусных ДНК, случайно обнаружили, что они замкнуты в кольцо.

Почему же ДНК у бактерий кольцевая, а ДНК у высших организмов, включая человека, линейная? Я бы даже сказал, что сейчас более естественно поставить вопрос: почему бывают некольцевые ДНК? Как выяснилось, кольцевое строение ДНК более естественно с точки зрения удвоения ДНК, с точки зрения репликации ДНК. Дело в том, что ДНК нужно реплицировать. Сама по себе репликация представляется очень простым процессом, потому что две цепочки ДНК на самом деле антипараллельны, они комплементарны: против A всегда находится T и наоборот, а против G всегда C и наоборот. Для того чтобы произошло удвоение ДНК, как и представляли себе Уотсон и Крик в своей классической работе, мы разведем цепочки и на каждой нарастим по принципу комплементарности по второй цепочке, и тогда мы получим две дочерние ДНК, полностью идентичные исходной. Это и есть репликация ДНК.

Единственная кольцевая ДНК, которая есть у человека, находится в цитоплазме, в митохондриях ДНК кольцевая. Но митохондрии, как мы твердо уверены, — это результат древнего симбиоза между эукариотической клеткой и какой-то бактериальной клеткой. Митохондрия — это остаток бактерии. Когда-то это была бактерия, которая вступила в симбиоз с эукариотической клеткой, потом она почти все свои гены отдала в ядро, в основной геном, а какие-то гены остались, их очень немного. Митохондриальная ДНК содержит всего около 15 тысяч звеньев. Это очень короткая ДНК по сравнению с геномом.