В митохондриях — клеточных органеллах, занимающихся окислением молекул питательных веществ, — есть собственные молекулы ДНК. Эта ДНК — кольцевая молекула довольно небольшого (по сравнению с хромосомами) размера, кодирующая некоторые из белков митохондрий. До сих пор оставалось не до конца понятным, каким образом на этих небольших кольцевых молекулах «разводятся» процессы репликации (удвоения ДНК) и транскрипции (синтеза молекул РНК, благодаря которому проявляется активность генов). Ферментные машины, довольно крупные по меркам молекулярного уровня жизни, не сталкиваются и не мешают друг другу на небольшой кольцевой молекуле ДНК митохондрий. Подробности регулировки движения молекулярных машин на ДНК митохондрий недавно выяснили американские исследователи, результаты работы которых опубликованы в журнале Science [1].

Транскрипция митохондриальной ДНК человека идет с двух сайтов, расположенных на разных цепочках молекулы ДНК. С одного из них (называющегося LSP) иногда синтезируются короткие молекулы РНК — если транскрипция прерывается раньше времени, когда РНК-полимераза проходит лишь незначительную часть пути синтеза полноценного транскрипта. В результате такого прерывания нормальной транскрипции образуется фрагмент РНК длиной 120 нуклеотидов, который удачным образом располагается как раз неподалеку от точки начала репликации и служит для нее затравкой. Таким образом, переключение между транскрипцией и репликацией зависит от того, проскочит ли РНК-полимераза сложный участок, на котором она склонна запинаться, или нет. Если полимераза успешно проходит через «роковой» участок, она синтезирует полноразмерную молекулу РНК, и происходит транскрипция. А если она обрывает транскрипцию раньше времени, образуется затравка для репликации.

От чего зависит, оборвет ли РНК-полимераза транскрипцию раньше времени? Оказывается, транскрипции «помогает» прерваться формирование сложной структуры между синтезирующейся цепочкой РНК и одной из цепочек ДНК, которая расплетается на время синтеза. Образующаяся структура, называемая G-квадруплекс, интересна тем, что в ней переплетаются целых 4 цепочки молекул ДНК и РНК, тогда как обычно они образуют только попарные связи. Структура называется «G-квадруплекс» потому, что образуется остатками гуанина, обозначаемыми буквой G при записи последовательности ДНК или РНК. Авторы обнаружили, что для молекул ДНК, у которых было меньше остатков гуанина в проблемном участке (а именно остатки гуанина способны образовывать переплетение четырех цепочек), реже образовывались укороченные молекулы РНК. Это значит, что чем короче был G-квадруплекс, тем легче РНК-полимеразе было преодолеть сложный участок и синтезировать полноразмерную РНК. Образующаяся «путаница» тормозит полимеразу, которая, к тому же, во время ее формирования синтезирует участок РНК, содержащий много остатков уридина. Связь между уридином в РНК и парным ему основанием в ДНК (аденином) слабая, так что для полимеразы создаются все условия, чтобы прекратить синтез. Нужно было понять, что влияет на формирование G-квадруплекса, тормозящего полимеразу, и тогда удалось бы раскрыть механизм переключения между транскрипцией и репликацией.

Ранее из митохондрий был выделен их собственный фактор элонгации транскрипции (TEFM) — белок, который был способен активировать в искусственной системе транскрипцию молекул ДНК, не имеющих промотора (участка старта транскрипции) [2]. Ученые выяснили, что добавление такого белка помогает РНК-полимеразе пройти сложный для нее участок и образовать полноразмерную молекулу РНК. Оказалось, что TEFM связывается с тем фрагментом синтезируемой РНК, которая может участвовать в образовании G-квадруплекса, и не дает сложной структуре сложиться. РНК-полимераза уже не тормозится путаницей молекул РНК и ДНК и может спокойно ехать дальше, чтобы досинтезировать полноразмерную РНК. Получается простая схема: есть TEFM — образуются полноразмерные РНК, то есть идет транскрипция. Нет TEFM — транскрипция обрывается с образованием затравки для репликации.

TEFM, помимо того, что мешает образовываться G-квадруплексу, еще и помогает РНК-полимеразе крепче держаться на ДНК. Оказалось, что РНК-полимераза из митохондрий образует мало контактов с ДНК по сравнению с другими полимеразами, и даже без посторонней помощи склонна довольно быстро сваливаться с ДНК. А TEFM связывается с полимеразой и помогает ей крепче держаться за ДНК, чем тоже помогает транскрипции. Он помогает и если полимераза движется по ДНК, и если она затормозила на каком-то из участков. Когда исследователи не добавляли в искусственную систему один из нуклеотидов, необходимый для продолжения синтеза, полимераза не была способна его дождаться и отваливалась от ДНК. В компании же с фактором TEFM полимераза могла ждать на ДНК необходимый компонент до 40 минут, а потом спокойно продолжала синтез.

Таким образом, в митохондриях переключатель транскрипция/репликация устроен довольно просто. Если РНК-полимераза работает в одиночестве, то она спотыкается на трудном месте, и короткая РНК — результат ее недоделанной работы — служит затравкой для репликации. А если РНК-полимеразе помогает TEFM, она преодолевает все препятствия и успешно синтезирует полноценный транскрипт. Получается, что переключение между транскрипцией и репликацией в митохондриях — это просто вопрос наличия и доступности белка TEFM. Такое переключение важно в процессах развития — спермато- и эмбриогенезе [3], [4], и оно, как оказалось, реализуется очень просто.

Литература

1. Karen Agaronyan, Yaroslav I. Morozov, Michael Anikin, Dmitry Temiakov. (2015). Replication-transcription switch in human mitochondria. Science. 347, 548-551;
2. Michal Minczuk, Jiuya He, Anna M. Duch, Thijs J. Ettema, Aleksander Chlebowski, et. al.. (2011). TEFM (c17orf42) is necessary for transcription of human mtDNA. Nucleic Acids Research. 39, 4284-4299;
3. Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства;
4. Justin St. John. (2014). The control of mtDNA replication during differentiation and development. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects. 1840, 1345-1354.