Мы часто прислушиваемся к своему организму, отмечаем сбои в его работе или, наоборот, улучшение состояния, но вряд ли понимаем, что многое из этого — лишь отголоски сложнейших процессов, происходящих внутри нас на молекулярном уровне. Ученые изучают особенности таких процессов, ищут и находят способы управлять ими. Об одной из работ в этой области, отмеченной грантом Президента РФ для молодых ученых, рассказывает нашему корреспонденту заведующий лабораторией Института молекулярной генетики РАН доктор биологических наук Андрей КУЛЬБАЧИНСКИЙ.
— Представьте двойную спираль ДНК: две нити, скрученные между собой, — говорит Андрей Владимирович. — На этих нитях записан очень большой объем информации. По ним “ползет” сложное устройство и, расплетая их на определенном участке, создает копию одной из нитей. Именно так во всех живых организмах работает фермент РНК-полимераза, который синтезирует РНК-копии с разных участков генома в процессе транскрипции. Различные виды РНК затем используются в клетке для синтеза белка рибосомами, а также могут выполнять другие функции: структурную, транспортную, сенсорную и даже каталитическую.
ДНК организмов содержит от нескольких миллионов до миллиардов нуклеотидов (как, например, у человека), играющих роль своеобразных букв при записи наследственной информации. К началу XXI века удалось полностью прочитать геномы человека, многих животных, растений, грибов и огромного числа бактерий. И теперь основная задача — понять, как работают эти геномы и как регулируется активность отдельных генов.
Можно провести такое сравнение. Предположим, что на автоматизированном заводе есть компьютер, где записаны все программы-инструкции, которые могут пригодиться в работе. К нему подключается робот и выбирает программу, скажем, для синтеза определенного белка. Как он находит эту программу среди 30 тысяч аналогичных? Почему решает выбрать именно ее, а не какую-то другую? Многое об этом уже известно. У каждой программы-гена есть начало — специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотор. Эта последовательность так устроена, что РНК-полимераза может с ней соединиться и начать в этом месте синтез РНК. Благодаря очень большому разнообразию в структуре промоторов вероятность соединения с ними РНК-полимеразы может различаться на много порядков. А это, в свою очередь, приводит к значительным различиям в количестве синтезируемых РНК и белков.
Раньше считалось, что эффективность транскрипции в основном регулируется именно на стадии связывания РНК-полимеразы с промоторами. Но оказалось, что часто это совсем не так. Было обнаружено, что сам процесс синтеза РНК происходит неравномерно. РНК-полимераза способна реагировать на внешние регуляторные сигналы и на сигналы, записанные в матрице ДНК, что очень сильно влияет на эффективность транскрипции. Именно это мы и исследуем в рамках нашего проекта.
Средняя скорость синтеза РНК — от 10 до 50 нуклеотидов в секунду. Если средняя длина генов бактерий составляет примерно тысячу нуклеотидов (то есть весь ген будет прочитан примерно за минуту), то у человека эта длина может достигать десятков тысяч нуклеотидов, и на всем протяжении гена РНК-полимераза не имеет права сойти с пути: раз начавшись, синтез должен закончиться строго в конце гена. Нарушения этого процесса могут привести к самым тяжелым последствиям — гибели отдельных клеток или серьезным заболеваниям целого организма.
— Какие силы заставляют полимеразу двигаться по спирали ДНК?
— РНК-полимераза — это молекулярная машина. Здесь надо сказать, что принципы работы молекулярных машин (а их в клетке довольно много — транспортные белки, полимеразы, рибосомы) значительно отличаются от принципов работы обычных машин и моторов. Собственно для перемещения полимеразы не требуется специальных источников энергии — оно обеспечивается броуновским и тепловым движениями молекул. Гораздо интереснее вопрос о том, что обеспечивает направленность этого движения. По-видимому, в случае РНК-полимеразы это присоединение очередного нуклеотида к растущей цепи РНК, что просто фиксирует полимеразу в новом положении на матрице ДНК. Однако иногда в процессе синтеза происходит сбой: полимераза может случайно сдвигаться в обратную сторону, и это приводит к остановке транскрипции. Тем не менее сила, с которой полимераза движется по цепи, достаточно высока: она способна развивать усилие до 25 пиконьютонов. Это, кстати, позволяет использовать РНК-полимеразу в биотехнологиях для перемещения объектов на наноуровне (пока только в теории).
— Вы сказали, что при транскрипции иногда происходит сбой. А может ли этот процесс остановиться по какой-либо другой причине?
— Да, и это самое интересное. Например, РНК-полимераза под действием регуляторных факторов может остановиться вскоре после начала синтеза РНК и в таком состоянии ожидать дальнейших сигналов к действию, например, связывания регуляторных белков. Это позволяет при необходимости обеспечить быстрый синтез требуемого белка в клетке. Замечательно, что молекула РНК может влиять на процесс собственного синтеза: способна сворачиваться определенным образом, взаимодействовать с полимеразой и ускорять, замедлять или останавливать процесс транскрипции. Кроме того, причиной остановки РНК-полимеразы может быть повреждение ДНК. В этом случае полимераза играет роль своеобразного знака для других клеточных агентов, способных восстановить ДНК.
— С какими организмами вы работаете?
— Это различные бактерии, например обычная кишечная палочка, а также термофильные бактерии, чья РНК-полимераза способна работать при очень больших температурах — практически в кипятке. Стоит сказать, что с молекулярной точки зрения процесс транскрипции протекает очень похоже у всех организмов, и РНК-полимераза имеет схожее строение и у бактерий, и у человека.
— Ваши исследования носят фундаментальный характер или направлены на практическое использование?
— И то, и другое. Мне, как ученому, прежде всего интересно узнать сами принципы работы биомолекул, лежащие в основе жизни. С другой стороны, задача нашего проекта, на который выделен грант, — не только выявить эти механизмы, но и управлять ими. Знание механизмов тонкой регуляции роста и метаболизма бактерий позволит эффективно бороться с болезнетворными микробами: например, в отличие от большинства известных антибиотиков избирательно подавлять рост патогенных бактерий.
— Много ли еще загадок таят живые существа?
— Конечно! Вот, к примеру, по спирали ДНК “ползают” различные клеточные агенты, и каждый из них выполняет свою работу. Надо сказать, что скорости движения, например, ДНК-полимераз по ДНК могут достигать тысячи нуклеотидов в секунду. Но ведь ДНК — это одноколейная дорога. Что будет, когда два движущихся по ней объекта столкнутся между собой? Если РНК-полимераза столкнется с ДНК-полимеразой, которая осуществляет удвоение генетической информации, предшествующее делению клетки, то ответ известен: первая “машина” должна уступить дорогу второй. Ведь операция по удвоению ДНК проводится в жизни клетки всего один раз и по значимости несопоставима с синтезом отдельного белка. Как было показано совсем недавно, нарушения в расхождении этих молекулярных машин могут приводить к разрывам в молекуле ДНК. А если столкнутся две РНК-полимеразы? Или одна из полимераз догонит другую? Понятно, что все эти “дорожно-транспортные происшествия” внутри клетки как-то разрешаются. Но какие механизмы заставляют одну молекулу уступить дорогу другой? Кое-что здесь уже известно. Но вопросов всегда больше, чем ответов.
Записал Василий ЯНЧИЛИН
Фото Андрея МОИСЕЕВА
Нет комментариев