Denník N

Budeme prepisovať učebnice? Vedci zistili, prečo je život založený na DNA

Foto – Fotolia
Foto – Fotolia

DNA je omnoho flexibilnejšia a odolnejšia ako RNA. Vedci na to prišli skúmaním možností párovania bázových párov.

Aj napriek tomu, že DNA je známa už dlho a jej výskum je intenzívny, nevieme o nej všetko. Napríklad otázka, prečo je vlastne život založený na DNA a nie na jej staršej „sesternici“ RNA, ostávala dlho nezodpovedaná.

Molekulu DNA, teda deoxyribonukleovej kyseliny, si obyčajne predstavujeme ako akýsi rebrík tvorený poskrúcanou dvojzávitnicou, kde jednotlivé schodíky predstavujú navzájom prepojené bázové páry.

Vedci na čele s Huiqingom Zhouom dokázali, že DNA – na rozdiel od RNA – vie pri nežiaducej mutácii zmeniť skladanie bázových párov. Týmto spôsobom dochádza k zmene štruktúry, počas ktorej sa mutácia opraví.

RNA túto vlastnosť nemá – nežiaduce mutácie si neopraví alebo sa rozpadne.

Môže ísť o jeden z dôvodov, prečo je život založený na DNA a nie na RNA. Výsledky uverejnili tento mesiac v časopise Nature Structural & Molecular Biology.

Stručná história DNA

Po prvý raz identifikoval molekulu DNA švajčiarsky chemik Friedrich Miescher. V roku 1953 James Watson a Francis Crick zistili, že DNA sa nachádza v bunkách vo forme dvojzávitnice.

Pri návrhu tohto tvaru sa inšpirovali výskumom Rosalindy Elise Franklinovej, biofyzičky a chemičky, ktorá pracovala na difrakčných obrazcoch DNA.

Watson a Crick navrhli aj spôsob (watson-crickovské párovanie), akým medzi sebou jednotlivé bázové páry interagujú. Existujú štyri bázové páry: adenín, guanín, cytozín a tymín. Navzájom sa ovplyvňujú vodíkovými väzbami, vďaka čomu držia jednotlivé vlákna DNA pohromade.

V roku 1959 však biochemik Karst Hoogsten dokázal, že bázy sa môžu ovplyvňovať aj inak, než opísali Watson a Crick. Vedec pozoroval preklopenie jednej z báz o 180 stupňov, čím došlo k zmene celkovej geometrie bázového páru.

Interakci emedzi bázovými pármi. Pri Hoogstenovom usporiadaní sa jedna z báz otočí o 180°. Foto - Wikipedia
Interakcie medzi bázovými pármi. Pri Hoogstenovom usporiadaní sa jedna z báz otočí o 180°. Foto – Wikipédia

Preklápanie báz v DNA

„DNA používa Hoogstenove bázové páry na pridanie ďalšej dimenzie do svojej štruktúry, čím mení svoj tvar – v rámci bunky tak pridáva ďalšie funkcie.“ biochemik Hashim M. Al-Hashimi, Duke University

Prečo sú však tieto zriedkavé preklopenia zaujímavé? Pred vyše štyrmi rokmi vedci zistili, že dvojzávitnica DNA sa k nim uchyľuje vtedy, ak je na ňu naviazaná nejaká bielkovina. Alebo, čo je ešte dôležitejšie, DNA vytvára tieto takzvané Hoogstenove bázové páry vtedy, ak je niektorá z jej častí chemicky poškodená.

Po oprave poruchy sa bázy vrátia do svojho „normálneho“ usporiadania, teda watson-crickovského.

Schopnosť dvojzávitnice DNA vytvárať dve rôzne usporiadania medzi bázovými pármi predstavuje nástroj na spracovanie a opravu porúch. „DNA používa Hoogstenove bázové páry na pridanie ďalšej dimenzie do svojej štruktúry, čím mení svoj tvar – v rámci bunky tak pridáva ďalšie funkcie,“ vysvetlil Al-Hashimi, vedúci výskumu.

Fakty

DNA (deoxyribonukleová kyselina) je nukleová kyselina uložená vo forme dvojzávitnice v jadre buniek. Skladá sa z molekúl cukru, fosfátu a zo štyroch rôznych dusíkatých báz – adenínu, guanínu, cytozínu a tymínu. Tie medzi sebou interagujú (tvoria medzi sebou bázové páry) pomocou vodíkových väzieb, čím držia dve vlákna DNA pohromade.

Genetická mutácia je zmena v genetickom kóde. Môže k nej dôjsť náhodou alebo prostredníctvom poškodení DNA radiáciou alebo chemickými mutagénmi, ktoré sa nestihli opraviť. Jej výsledkom je expresia zmenenej bielkoviny, ktorá už nemusí plniť svoju pôvodnú funkciu.

RNA (ribonukleová kyselina) je nukleová kyselina bežne sa vyskytujúca ako jedno vlákno. Od DNA sa líši dvojako: namiesto bázy tymín obsahuje uracil a na rozdiel od DNA obsahuje molekuly pentózy (päť uhlíkov obsahujúci cukor) s OH skupinou navyše. V dôsledku prítomnosti tejto hydroxylovej skupiny je RNA menej stabilná a jej 3D štruktúra je viac skomprimovaná.

Zložité merania

Vedci chceli overiť, či tieto preklopené interakcie vznikajú nielen v DNA, ale aj v jej príbuznej molekule RNA. Vo všeobecnosti sa predpokladá, že RNA predstavuje staršiu formu ukladania genetickej informácie (najmä pre svoju dodatočnú schopnosť katalýzy). Preto sa na ňu možno pozerať ako na staršiu sesternicu DNA.

Molekula RNA sa veľmi podobá na svoju mladšiu príbuznú DNA a líši sa od nej iba tým, že používa namiesto tymínu uracil a že molekula jej cukru obsahuje o jednu OH skupinu navyše.

Aby výskumníci zachytili preklápanie bázových párov v DNA a RNA, museli použiť špeciálne spektroskopické techniky, konkrétne NMR relaxačnú disperziu.

Tieto zmeny sú veľmi rýchle a prebiehajú na molekulárnej úrovni. Na merania použili dvojzávitnicu DNA aj RNA, ktorú pripravili špeciálne na tieto účely; bežne sa totiž vyskytuje v jednovláknovej forme.

Pomocou týchto meraní zistili, že približne jedno percento bázových párov v DNA sa vyskytuje v Hoogstenovom usporiadaní. Pri RNA však nepozorovali žiadne.

Rozpadávajúca sa RNA

Prvou teóriou bolo, že tieto páry vznikajú a zanikajú v RNA natoľko rýchlo, že ich vedci nestíhajú pozorovať. Preto sa rozhodli pre ďalší experiment, v ktorom pridali do jednej z báz o jeden uhlík navyše. To malo zablokovať možnosť tvorby watson-crickovského usporiadania a donútiť bázy ostať v tom Hoogstenovom.

Výsledok experimentu bol však veľkým prekvapením. Namiesto toho, aby sa RNA bázy preklopili do Hoostenovho usporiadania, dvojzávitnica RNA sa rozpadla.

„Pre DNA predstavuje pridanie tejto úpravy (pridanie uhlíka navyše – pozn. red.) istú formu poruchy, ktorá sa v nej absorbuje preklopením bázy a následným vytvorením Hoogstenovho páru. Naproti tomu tá istá modifikácia výrazne narušuje dvojzávitnicu RNA,“ vysvetlil spoluautor výskumu Huiqing Zhou v správe.

Prepísať učebnice

Molekula DNA je vďaka schopnosti preklápať usporiadanie svojich báz medzi dvoma rôznymi usporiadaniami omnoho dynamickejšia, flexibilnejšia. Dokáže prestáť aj nežiaduce chemické zmeny vedúce k mutáciám a neskorším zmenám vo vytváraných bielkovinách.

To je podľa autorov jeden z dôvodov, prečo je dnešný život založený na DNA ako molekule nesúcej genetickú informáciu – jednoducho vydrží viac.

Vďaka tejto novej znalosti asi budeme musieť prepísať učebnice biológie a biochémie. „Je neuveriteľné, že aj pri takej základnej veci, ako sú dvojzávitnice nukleových kyselín, prichádzame na takto podstatnú informáciu až teraz. Musíme pokračovať ďalej, aby sme základné molekuly života pochopili ešte lepšie,“ dodal Al-Hashimi.

Dostupné z doi: 10.1021/ja2117816, 10.1038/nsmb.3270.

🗳️ Ak chcete podporiť našu prácu pred druhým kolom volieb aj nad rámec predplatného, môžete to urobiť aj darom.🗳️

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

Príroda

Veda

Teraz najčítanejšie