Необычные формы ДНК

Когда Уотсоном и Криком была открыта структура ДНК, то это была структура не просто абстрактной ДНК, а это была структура определенной формы ДНК. Эта форма называлась B-формой ДНК. К тому времени Розалинда Франклин показала, что когда при помощи рентгеновского рассеяния изучаются волокна ДНК, то рентгенограмма радикальным образом зависит от того, при какой относительной влажности, при какой степени насыщения водой этого волокна происходит эксперимент. Если волокно является достаточно насыщенным водой, то есть при высокой влажности, то возникает одна рентгенограмма, некая структура, которую она назвала B-формой. А когда она высушивается, то возникает совсем другая рентгенограмма, сильно отличающаяся, имеет место быть явно другая форма ДНК, и она назвала эту форму A-формой.

Естественно, что Уотсон и Крик интересовались структурой именно B-формы ДНК, им было понятно, что та форма, которая соответствует высокой влажности, то есть приближает нас к состоянию, которое ДНК имеет в растворе и в клетке, должна иметь огромное биологическое значение, а A-форма может быть менее важна. Поэтому двойная спираль Уотсона и Крика — это структура B-формы ДНК. Вскоре после их работы с помощью рентгеноструктурного анализа, с помощью рассеяния рентгеновских лучей была определена структура и A-формы ДНК.

Вскоре выяснилось, что A-форма ДНК тоже имеет огромное биологическое значение. Оказалось, что двойная спираль, которая создает молекулы РНК, и в растворе, при обычной высокой влажности находится в A-форме, а не в B-форме. Это связано с тем, что РНК отличается от ДНК тем, что сахар, химический элемент структуры ДНК и РНК — это нуклеотид. Нуклеотид состоит из фосфата, сахара и азотистого основания. В том и в другом случае сахар немножко разный: у ДНК он имеет в определенном положении просто водород, а у РНК — гидроксильную группу OH. Поэтому РНК называется рибонуклеиновая кислота, отсюда сокращение РНК.

ДНК — это дезоксирибонуклеиновая кислота, то есть она «дезокси», лишена этого кислорода. И это отличие в одном атоме ведет к очень серьезным отличиям в структуре, из-за этой гидроксильной группы РНК не может принимать B-форму ни при каких условиях, но A-форму она прекрасно принимает. Поэтому A-форма, первоначально открытая для ДНК, оказалась той формой, которую всегда имеет двойная спираль РНК. Это очень важно, потому что хотя двуспиральные РНК в живых клетках встречаются редко (хотя и встречаются), но, даже если имеется однонитевая РНК, она образует очень сложную структуру в пространстве. В частности, у нее возникают шпильки, и удаленные участки образуют короткие двойные спирали. Все эти структуры РНК находятся в A-форме.

Значит, у нас имеется B-форма, имеется A-форма. Существуют ли другие формы ДНК? Этот вопрос имеет колоссальное значение, потому что все, что касается структуры ДНК, мы должны знать, поскольку это самая главная молекула живой природы. В течение конца 70-х — 80-х годов прошлого века было открыто несколько структур. Наверное, больше структур не будет открыто, потому что с тех пор новых структур уже открыто не было, и, наверное, мы теперь уже знаем все возможные структуры ДНК. Их не так много.

Первая структура, которая произвела большой шум, была так называемой Z-формы. Ее открыл профессор Массачусетского технологического института Александр Рич с сотрудниками в 1979 году. К огромному изумлению самих авторов и всей научной и даже ненаучной общественности, оказалось, что некоторые короткие ДНК с определенной последовательностью оснований — они изучали гексануклеотид d (CG)3, и, соответственно, он самокомплементарный и поэтому образовывал двойные спирали, — когда они изучили с помощью рентгеноструктурного анализа структуру этого маленького кусочка ДНК, оказалось, что это совершенно не то, что предсказывали Уотсон и Крик. У Уотсона и Крика это была правая спираль, она имела вполне определенную правоспиральную закрутку, а это оказалась левая спираль, у нее противоположная хиральность, как говорят. Это было полной неожиданностью и шоком. Но это оказалось правдой, и оказалось, что, действительно, такие последовательности чередующихся C и G могут образовывать такие спирали в определенных условиях.

Z-форма стала одним из важнейших структурных элементов ДНК, о которых все, кто занимается молекулярной биологией, должны знать.

A-форму и B-форму мы называем каноническими. Их особенность состоит в том, что любая последовательность оснований может принять эту структуру. То есть, когда природа занимается дизайном новых белков или новых структур, которые нужно записать в виде последовательности ДНК, она не должна заботиться о том, чтобы эти последовательности удовлетворяли каким-то дополнительным условиям, которые позволяли бы образовать, скажем, B-форму ДНК. Любые последовательности образуют B-форму ДНК, любые последовательности образуют A-форму РНК. Они могут немножко отличаться по стабильности, но при нормальных условиях они все будут достаточно стабильны, и все будет нормально.

Все необычные структуры, о которых мы говорим, ограничены какими-то специальными последовательностями. В случае с Z-формой последовательность необязательно точно такая, но типа CG-CG-CG.

Вторая необычная структура — это так называемые cruciform, или кресты. Это последовательности, которые являются последовательностями-перевертышами, или палиндромами — они читаются одинаково слева направо и справа налево. Если мы читаем по верхней цепи, последовательность должна быть той же, как мы читаем этот же участок по нижней цепи. В русском языке известно очень много перевертышей. Я люблю, например, такой перевертыш: «Не гни папин ген». Читаете ли вы этот текст слева направо или справа налево, вы получите одно и то же, если вы, конечно, не обращаете внимания на промежутки между словами.

Такие последовательности в ДНК называются палиндромные последовательности, они способны образовывать кресты. То есть двойная спираль может преобразовываться в две шпильки, в крестообразную структуру. Это вторая необычная структура, существование которой было доказано.

Третья структура связана с образованием тройных спиралей. В ДНК возможны тройные спирали, когда к двойной спирали ДНК присоединяется третья цепочка. Если двойные спирали, как мы знаем, — это уотсон-криковские пары, то третья цепочка образует так называемые хугстиновские пары. Как оказалось, структура с таким элементом тройной спирали может образовываться из двойной спирали ДНК. Двойная спираль ДНК может сложиться таким хитрым образом, что образуется двойная спираль половины участка, который образует новую структуру, — он остается в виде двойной спирали, — а вторая половина разъединяется, и одна образует тройную спираль, а вторая оказывается неструктурированной, в виде однонитевого участка. Такая структура получила название H-формы ДНК, и было показано, что она тоже может образовываться.

При каких условиях образуются эти необычные структуры? Все они нестабильны по сравнению с B-формой ДНК. Если мы говорим о линейной ДНК с определенными концами, то есть они имеют концы, тогда все эти формы при обычных условиях нестабильны. Но ДНК существует часто в кольцевой форме топологического напряжения, когда у нее имеется так называемая сверхспирализация. И в этих условиях структуры и Z-формы, и cruciform, и H-формы действительно образуются. Это четко показывает эксперимент, это доказано, здесь никаких расхождений нет.

Я не сказал еще об одной интересной структуре, очень важной, когда образуется четверная спираль. Но эта структура образуется только в случае, если имеются только гуанины, четыре G, они образуют так называемый G-квадруплекс — это такой хоровод из четырех гуанинов.

То есть, может быть, эти четыре структуры — Z-форма, cruciform, H-форма и G-квадруплекс — исчерпывают основные неканонические структуры ДНК. И интересный вопрос: какую все они и каждый из них играет роль и в норме, и в патологии и как они используются в различных биотехнологических приложениях?