Клетки людей портят ДНК бактерий

Ученые изучили систему защиты клеток организма от чужеродной ДНК. Исследователи выяснили, как специальному ферменту удается блокировать работу бактериальных генов внутри клетки.

Молекулярные биологи из Университета Миннесоты (США) исследовали фермент APOBEC3A и его влияние на чужую ДНК. Исследователям уже было известно, что этот фермент меняет в бактериальных генах составляющие их нуклеотиды, однако без точной картины того, как именно он работает, сложно найти способ усилить его действие и создать работающие по схожему принципу лекарства.

Подмена

ДНК, длинная нить которой является, по сути, чертежами всего живого организма, состоит из отдельных звеньев – нуклеотидов. При этом нить – двойная: цепочки нуклеотидов расположены параллельно друг другу и каждый нуклеотид в одной нити связан со своим соседом в другой. Есть и молекулы РНК, которые, как правило, переносят информацию от ДНК к центрам синтеза белка или сами работают в качестве ферментов. РНК тоже состоит из нуклеотидов, только выстроенных в одну нить и других типов.

Фермент, который заинтересовал исследователей, подменяет один тип нуклеотидов, цитозин, на другой – урацил. Причем урацил обычно встречается только в РНК, а в ДНК ему не место: там вместо него обычно стоит тимидин. ДНК, в которую «подсунули» вместо цитозина урацил, неработоспособна, и клетка уже не может ее прочесть. Что особенно интересно, портящий ДНК фермент трогает только чужие, бактериальные, молекулы, играя тем самым роль защитной системы.

Как это работает?

Строго говоря, вырвать из ДНК один нуклеотид и всунуть на его место другой, тем более на неподходящее для этого место (напротив меняемого цитозина всегда стоит гуанин, который урацилу никак не пара), фермент не в силах. Подмена реализуется иначе – с использованием сходства между урацилом и цитозином (отличает эти два нуклеотида всего три атома). На том месте, где у урацила находится атом кислорода, у цитозина – один атом азота и два атома водорода, и, следовательно, с точки зрения химии их при определенных условиях можно заменить.

Терминология

Фермент – вещество, позволяющее протекать той или иной биохимической реакции (химики, изучающие процессы вне организма, используют термин «катализатор»). Часто используется термин «энзим». Как правило, ферментами являются белки – их иногда называют «протеинами».

И фермент (точнее, даже целое семейство ферментов) с не самым выдающимся названием APOBEC3 делает именно это. Причем не в одиночку, поскольку роль исследованного белка сводится к тому, что он отрывает от цитозина азотно-водородную группу атомов. Далее к молекуле ДНК подходят белки, обозначаемые биохимиками как UNG2, и превращают «огрызок» цитозина в урацил, после чего чужеродный генетический материал окончательно выходит из строя.

Оставшиеся тайны

Детальным описанием процесса «порчи» чужой ДНК работа ученых явно не заканчивается. Исследователи обратили внимание на то, что белок APOBEC3 или его ближайшие аналоги встречаются у большинства позвоночных животных, а наиболее активен он в клетках крови. Судя по этим данным, речь идет о довольно древнем механизме, который возник сотни миллионов лет назад.

Почему от этого процесса не страдает собственная ДНК, установить пока не удается, и ученые намерены продолжить исследования. Несмотря на длинные и скучные названия белков и запутанную механику их взаимодействия друг с другом и молекулами ДНК/РНК, такие работы могут иметь впечатляющие последствия: понимание принципов работы ферментов, вырезающих и вставляющих куски генов, позволило, например, создать трансгенные растения и животных. Доработанный и усиленный естественный механизм защиты против бактерий может сулить и радикально новый подход к профилактике и лечению болезней.