биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Работа над ошибками

[20 октября, 2016 г.]

Видео на конкурс «био/мол/текст»: Если вы помните игру «испорченный телефон», то знаете, как сильно искажается информация при ее передаче по цепочке игроков. А ведь наши организмы — это тоже результат многократной передачи информации. От генома к геному. От клетки к клетке. От зиготы — к целому организму. От предка всего живого — к современным живым существам. Конечно, ретрансляторы генетического кода очень аккуратны и точны. Но этой точности недостаточно для того, чтобы снова и снова из поколения в поколение передавать мегабайты и гигабайты наследственной информации. Поэтому живые организмы прибегают к помощи специальных корректоров, которые успешно устраняют 99,9%* всех ошибок. Кто они? И как им это удается?

Обратите внимание!

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «био/мол/текст»-2016.


Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!


Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».

Вся наследственная информация в живых организмах хранится в ДНК. Особенность ДНК как носителя информации состоит в том, что данные в ней всегда продублированы: они одновременно представлены в виде оригинала и слепка с оригинала. В виде позитива и негатива. Если мы хотим получить копию позитива, то проявляем негатив. А если нам нужен негатив — фотографируем позитивное изображение. Эта уникальная особенность ДНК обусловлена тем, что вся информация в ней закодирована в последовательности нуклеотидов: аденина, тимина, гуанина и цитозина, которые способны не только выстраиваться в цепочку кода, но и образовывать попарные связи друг с другом. Аналогично тому, как на негативе цветной фотографии красный цвет всегда соответствует только голубому, а желтый — только синему, в ДНК аденин всегда соответствует только тимину, а гуанин — только цитозину. Так становится возможным особое молекулярное фотографирование.

Вычислить объем информации, заключенной в том или ином геноме, очень просто. Для этого необходимо принять, что одна пара нуклеотидов несет в себе два бита, то есть 2/8 = 0,25 байт. Это объясняется тем, что выбор нуклеотида производится между 4-мя вариантами (аденином, тимином, гуанином и цитозином), и все эти варианты можно обозначить двузначным кодом: 00, 01, 10, 11. В гаплоидном человеческом геноме содержится приблизительно 3,2 млрд пар нуклеотидов [1]. Соответственно, в диплоидном — 2 × 3,2 млрд. пар нуклеотидов. 2 × 3 200 000 000 × 0,25 = 1 600 000 000 байт или 1 600 000 000 / (1024)3 ≈ 1,5 гигабайт. Гаплоидный геном Drosophila melanogaster в среднем содержит 175 млн пар оснований [2] (не забудьте помножить на 2!), а геном кишечной палочки — 4,6 млн [3]. Нетрудно подсчитать, что это будет соответствовать 83 и 1,1 мегабайтам.

Используя этот принцип, наши клетки могут удваивать свой наследственный материал для того, чтобы передавать его клеткам-потомкам. Могут печатать рабочие копии конкретных генов, чтобы на их основе строить необходимые клетке белки. А также могут ремонтировать поврежденную ДНК, чтобы нашей наследственной информации ничего не угрожало. Репликация, транскрипция, репарация — три кита геномного документооборота. Впрочем, китов на самом деле четыре. Четвертый зовется рекомбинацией и отвечает за обмен информацией между разными генами, разными хромосомами и даже разными геномами. В нашей истории у него особая роль.

Все негативы и позитивы в ДНК должны строго соответствовать друг другу. А если встретится неправильно подобранная пара, обнаружатся пропущенные или лишние знаки, значит, при удвоении ДНК произошли ошибки. И если такие опечатки вовремя не исправить, то в будущем из них вырастут полноценные мутации. И они могут серьезно подорвать здоровье своему носителю.

Чтобы подобного не происходило, в клетке трудятся специальные белки, призванные выверять и корректировать наши данные. Точечные несоответствия негатива и позитива часто называют мисмэтчами, то есть, неправильными парами оснований. Отсюда и название их команды: «система мисмэтч репарации» или ММР.

Состав этой команды может варьировать. Однако в ней неизменно присутствуют пара белков MutS и пара белков MutL. Либо их ближайших родственников — еще их называют «гомологами». Белки этого типа очень древние и широко распространенные. Они обнаруживаются в клетках самых разнообразных живых существ [4, 5]. И методы их работы за миллиарды лет эволюции принципиально не изменились.

Первыми в процесс включаются белки MutS. Они проверяют двойную спираль ДНК на излом. В норме она ровная и упругая. Однако если во время репликации прокрадывается ошибка, в этом месте ДНК легко изгибается и искажает свою структуру. Обнаружив это искажение, пара MutS останавливается и подключает к работе пару MutL [6]. Та, в свою очередь, самостоятельно либо при помощи других белков, делает надрезы в нужных местах, после чего кусочек нити с дефектом удаляется и достраивается заново [5, 7]. Только теперь без ошибок. Но как клетка узнает, где копия, а где — оригинал? Какую из двух цепочек ДНК редактировать, а какую — оставить нетронутой? Элементарно!

Возьмем, к примеру, кишечную палочку. В клетках этой бактерии белки ММР реагируют на особую метку на ДНК, которая образуется путем пришивания к определенным нуклеотидам метильных хвостиков [5]. Дело в том, что бактерии постоянно вынуждены защищаться от чужой ДНК в целях самосохранения. Иначе они не смогли бы поддерживать целостность своего собственного генома и стали бы легкой мишенью для бактериальных вирусов. Чтобы защищать свою ДНК и безошибочно уничтожать чужую, клетка должна уметь их различать. Для этого используется особая система фирменных меток, по которой клетка узнает своих [8]. Однако после репликации ДНК оказывается, что только одна из нитей двойной спирали ДНК «помечена», тогда как ее негативная копия еще не заверена, и ее можно распознать [5]. Разумеется, клетка времени не теряет и сразу начинает помечать свежий экземпляр. Поэтому если мы хотим отличить старую нить ДНК от новой, нам необходимо действовать еще быстрее.

Однако метильные метки — это частный случай. В клетках эукариотических организмов и большинства бактерий, белки ММР реагируют на прорехи в свежей цепочке ДНК [5, 7]. Они возникают в процессе репликации и вскоре успешно «зашиваются». И, опять же, белки системы ММР должны успеть исправить ошибки до того, как новые цепочки ДНК утеряют следы былой молодости. Поэтому белок MutS всегда ходит по хромосомам следом за ДНК-полимеразой — большой копировальной машиной ДНК. Стоит замешкаться, и мы уже не сможем исправить ее ошибок. Но это еще не все.

Вспомним нашего четвертого кита — рекомбинацию ДНК. Она необходима и при ремонте ДНК, и при создании новых генетических комбинаций для потомков. При этом действует важное правило: чем выше сходство участков ДНК, вступающих в процесс обмена, тем более вероятен этот обмен. И наоборот: чем больше «несовпадений» в нуклеотидных последовательностях этих кусочков ДНК, тем меньше шансов миновать стражей генетического правопорядка, в роли которых выступают наши белки ММР. Они запрещают произвольные обмены участками хромосом и тем самым поддерживают структуру и целостность генома [5].

Отключение системы ММР само по себе не смертельно, но может существенно отразиться на здоровье организма и его потомков. Ведь теперь при каждом делении клетки мы получаем в тысячи раз больше мутаций [9–11]. Такое поведение организмов называют мутаторным фенотипом, а ответственные за него гены — мутаторами [12]. В геноме кишечной палочки было обнаружено около 30 таких генов [5]. Однако мутаторы по генам mutS и mutL встречаются в микробном мире чаще всего [13, 14].

Впрочем, одноклеточным подобное свободомыслие может пригодиться. То, что в обычной спокойной жизни микроорганизма считается болезнью, в суровых условиях может оказаться генетической креативностью. У таких организмов шансы приобрести нужные для выживания мутации выше, чем у консервативных собратьев [14, 15]. И микробы нередко используют такую хитрость. Ну а когда нужные адаптации получены, от мутатора стоит избавиться. Для этого можно «подобрать» ДНК из окружающей среды и сделать из нее заплатки к собственным генам. Ведь теперь «пункт контроля» в виде белков мисмэтч репарации не работает. А, значит, допустимы любые замены [16].

И правда, было замечено, что гены mutS и mutL похожи на лоскутные одеяла из кусочков разного происхождения. Как будто в процессе эволюции эти гены неоднократно «ломались», после чего их снова и снова «чинили» c помощью чужих «запчастей» [16].

Правда, в случае многоклеточных такие трюки не работают. Мутаторный фенотип не сулит им ничего хорошего, поскольку нестабильность генома зачастую провоцирует развитие раковых опухолей [5]. Поэтому люди с дефектными генами ММР гораздо чаще и раньше сталкиваются с раком толстой и прямой кишок [17]. Особенно это касается Европы и США, где в среднем на 500 человек приходится хотя бы один носитель опасного аллеля [8]. В этих странах мутации в генах ММР человека возглавляют список наследственных причин онкологических заболеваний, опережая при этом даже гены рака груди — мирового «лидера» [19].

Поэтому не стоит недооценивать скромный труд корректоров. Особенно если их место работы — геном.

* — В общем случае, система мисмэтч репарации уменьшает количество возникающих мутаций примерно на три порядка [5, 9–11].

Литература

  1. Brown T.A. Genomes (2nd Edition). Oxford: Wiley-Liss, 2002. — 608 p.;
  2. Ellis L.L., Huang W., Quinn A.M., Ahuja A., Alfrejd B., Gomez F.E. et al. (2014). Intrapopulation genome size variation in D. melanogaster reflects life history variation and plasticity. PLoS Gen10, e1004522;
  3. Blattner F.R., Plunkett G., Bloch C.A., Perna N.T., Burland V., Riley M. et al. (1997). The complete genome sequence of Escherichia coli K-12. Science277, 1453–1462;
  4. Kunkel T.A. and Erie D.A. (2005). DNA mismatch repair. Annu. Rev. Biochem74, 681–710;
  5. Friedberg E.C., Walker G.C., Siede W., Wood R.D., Schultz R.A., Ellenberger T. DNA repair and mutagenesis: second edition. ASM Press, 2006. — 1116 p.;
  6. Tessmer I.,Yang Y., Zhai J., Du C., Hsieh P., Hingorani M.M., Erie D.A. (2008). Mechanism of MutS searching for DNA mismatches and signaling repair. J. Biol. Chem283, 36646–36654;
  7. Li G.-M. (2008). Mechanisms and functions of DNA mismatch repair. Cell Res18, 85–98;
  8. Vasua K. and Nagaraja V. (2013). Diverse functions of restriction-modification systems in addition to cellular defense. Microbiol. Mol. Biol. Rev77, 53–72;
  9. LeClerc J.E., Li B., Payne W.L., Cebula T.A. (1996). High mutation frequencies among Escherichia coli and Salmonella pathogens. Mutat. Res274, 1208–1211;
  10. Mao E.F., Lane L., Lee J., Miller J.H. (1997). Proliferation of mutator in cell populations. J. Bacteriol. 179, 417–422;
  11. Denver D.R., Feinberg S., Estes S., Thomas W.K., Lynch M. (2005). Mutation rates, spectra and hotspots in mismatch repair-deficient Caenorhabditis elegans. Genetics170, 107–113;
  12. Miller J.H. (1996). Spontaneous mutator in bacteria: Insights into pathways of mutagenesis and repair. Annu. Rev. Microbiol50, 625–643;
  13. Matic I., Radman M., Taddei F., Picard B., Doit C., Bingen E. et al. (1997). Highly variable mutation rates in commensal and pathogenic Escherichia coli. Science277, 1833–1834;
  14. Montanari S., Oliver A., Salerno P., Mena A., Bertoni G., Tümmler B. et al. (2007). Biological cost of hypermutation in Pseudomonas aeruginosa strains from patients with cystic fibrosis. Microbiol153, 1445–1454;
  15. Radman M., Taddei F., Matic I. (2000). Evolution-driving genes. Res. Microbiol151, 91–95;
  16. Denamur E., Lecointre L., Darlu P., Tenaillon O., Acquaviva C., Sayada C. et al. (2000). Evolutionary implications of the frequent horizontal transfer of mismatch repair genes. Cell103, 711–721;
  17. Silva F.C.C., Valentin M.D., Ferreira F.O., Carraro D.M., Rossi B.M. (2009). Mismatch repair genes in Lynch syndrome: a review. Sao Paulo Med. J. 127, 46–51;
  18. Steinke V., Engel C., Büttner R., Schackert H.K., Schmiegel W.H., Propping P. (2013). Hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC)/Lynch syndrome. Dtsch. Arztebl. Int. 110, 32–38;
  19. Konstantopoulou I., Pertesi M., Fostira F., Grivas A., Yannoukakos D. (2009). Hereditary cancer predisposition syndromes and preimplantation genetic diagnosis: Where are we now? J. BUON. 1. 187–192.

Автор: Беляева Лариса.

Число просмотров: 251.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Клетка»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.