Книга: Происхождение жизни. От туманности до клетки

Происхождение систем репликации ДНК

Происхождение систем репликации ДНК

Клеточная ДНК существует в двухцепочечной форме, причем цепи направлены навстречу друг другу. Молекула ДНК-полимеразы, строящая новую цепочку по шаблону старой, всегда двигается в одном направлении – от 3` к 5` концу. Поэтому нельзя просто взять две молекулы ДНК-полимеразы и начать ими синтез двух новых цепей из одной точки двух старых цепей – молекулы ДНК-полимеразы будут двигаться в разные стороны, и большая часть генома в процессе копирования окажется в уязвимой одноцепочечной форме. Чтобы обойти эту сложность, копирование ДНК в клетках идет при помощи специальной молекулярной машины, которая называется «репликативная вилка» и состоит из более чем 20 видов белков. В этом комплексе работа нескольких молекул ДНК-полимеразы согласована так, чтобы не было длинных одноцепочечных участков ДНК.

Как работает репликативная вилка? Прежде всего, двухцепочечную ДНК надо расплести на две отдельные цепи. Это делает фермент хеликаза, молекула которого имеет форму кольца, надетого на двойную спираль ДНК. Хеликаза раскручивает двойную спираль с затратой энергии АТФ. Далее, чтобы одиночные цепи ДНК за хеликазой не соединились обратно в двойную спираль, к ним прикрепляются специальные белки, называемые SSB (single-strand binding – белки, связывающие однонитевую ДНК). После этого на матрице старых цепей ДНК полимеразы могут строить новые цепи. Поскольку цепи направлены навстречу друг другу, а репликативная вилка движется в одну сторону, то копирование двух цепей идет по-разному. Одна старая цепь, по которой репликативная вилка движется от 3` конца к 5`, называется лидирующей. Молекула ДНК-полимеразы просто строит на ней вторую цепь без каких-либо сложностей. По второй старой цепи ДНК (ее называют отстающей) репликативная вилка движется от 5` к 3` концу – в обратную сторону по сравнению с тем, как должна двигаться полимераза. Это противоречие решается через движение полимеразы скачками. Сначала ДНК-полимераза отстающей цепи движется по ней от 3` к 5` концу, строя на ней фрагмент новой цепи (эти куски получили название «фрагменты Оказаки»). Когда длина нового фрагмента достигнет 1000–2000 нуклеотидов, она прекращает синтез и совершает скачок обратно, к 3` концу, на расстояние в две длины фрагментов Оказаки, и оттуда начинает синтез следующего. Точнее, полимераза не совершает скачков, она жестко скреплена с полимеразой лидирующей цепи и другими белками репликативной вилки. Вместо этого отстающая цепь движется через репликативную вилку то в одну, то в другую сторону. Во время синтеза фрагмента Оказаки из вилки выступает все более длинная петля отстающей цепи, а потом она быстро продергивается обратно (рис. 14.3).

Такое поведение полимеразы напоминает историю попугая-контрамота из «Понедельник начинается в субботу». Попугай, который после уникального эксперимента стал жить из будущего в прошлое, сначала попался на глаза героям книги в виде трупа, на второе утро был болен и потом умер, а на третий день оказался живым и здоровым. Однако в пределах одного дня жизнь попугая шла в привычном порядке – он сначала заболел, потом умер; и летал он не задом наперед, а обычным образом.

Такой способ синтеза отстающей цепи – из фрагментов Оказаки – создает свои сложности (рис. 14.4). Все ДНК-полимеразы нуждаются в затравке, или праймере – коротком фрагменте РНК, который комплементарно связан со старой цепью ДНК, и новая цепь ДНК образуется путем удлинения праймера. На отстающей цепи на каждый фрагмент Оказаки нужен свой праймер. Поэтому после работы ДНК-полимеразы новую отстающую цепь обрабатывают еще несколько ферментов. РНКаза Н удаляет РНК-затравки, а вспомогательная ДНК-полимераза вставляет ДНК на их место. Между концом одного фрагмента Оказаки и началом следующего после этого остаются «надрезы» – два соседних нуклеотида новой цепи, между которыми нет связи. Эти надрезы заделывает еще один вспомогательный фермент – ДНК-лигаза. Кроме перечисленных ферментов в репликации участвует еще несколько:

• праймазы делают РНК-затравки, с которых начинается синтез ДНК (один раз – на лидирующей цепи и на каждый фрагмент Оказаки для отстающей цепи);

• 3`–5` экзонуклеазы проверяют точность копирования за ДНК-полимеразами и удаляют неправильно вставленные нуклеотиды;

• топоизомеразы не дают ДНК запутаться в беспорядочный клубок. Эти белки совершают небольшое чудо, которое вызовет зависть у любителей шитья и вязания: пропускают одну нить ДНК через другую, так что обе нити в итоге остаются целыми;

• белок-застежка (он еще называется «скользящий зажим», или сlamp) удерживает всю конструкцию репликативной вилки на ДНК;

• репликационный фактор С (он же белок-погрузчик скользящего зажима, или Сlamp loader) с затратой энергии АТФ защелкивает его в начале репликации;

• в составе репликативной вилки могут быть структурные белки, образующие «скелет» ее конструкции, но не имеющие ферментативной активности. Например, у дрожжей и животных это комплекс GINS из четырех белков.

У вирусов можно встретить большое разнообразие систем репликации. Вирусы с большим геномом, например бактериофаг Т4 (170 000 нуклеотидов), имеют репликативные вилки, похожие на клеточные, но устроенные несколько проще. Одноцепочечные участки ДНК и РНК длиной до 10 000 нуклеотидов достаточно устойчивы, поэтому для вирусов с малыми геномами репликативная вилка не нужна. Они могут использовать самые разные варианты системы репликации. Например, механизм репликации «катящегося кольца» при помощи одной молекулы полимеразы производит длинную одноцепочечную молекулу ДНК, содержащую много линейных копий кольцевой матрицы. Потом эти копии разделяются и замыкаются в кольца при помощи ферментов рекомбинации. У ряда вирусов в качестве затравки (праймера) для начала новой цепи может использоваться не РНК, а специальный белок. Наконец, бывают ретровирусы, у которых ДНК строится на матрице РНК, а РНК – на матрице ДНК, т. е. два типа геномного материала чередуются в жизненном цикле. Более того, многие вирусы используют для своей репликации ферменты хозяина, заставляя их работать в нештатном режиме. Например, у бактериофага лямбда репликация по механизму «катящегося кольца» идет при помощи ДНК-полимеразы клетки-хозяина, в норме работающей в составе репликативной вилки. Так что контекст, в котором работают ДНК-полимеразы, может легко и быстро меняться в ходе эволюции.

Система репликации ДНК в клетках причудливо сочетает компоненты, унаследованные от LUCA, с независимо возникшими (табл. 14.1). Удивительно, что меньше всего сходства между бактериями и археями есть в самых главных компонентах репликативной вилки – ДНК-зависимой ДНК-полимеразе и праймазе. ДНК-полимеразы архей и бактерий не имеют в своей структуре ничего общего. Бактериальные праймазы родственны двум семействам хеликаз, а архейные праймазы не обнаруживают сходства ни с какими другими белками.

Другие компоненты репликативной вилки, хотя имеют сходство у бактерий и архей, но скорее всего, независимо приняли одинаковые функции. Например, работающие в репликации хеликазы всех организмов относятся к одному суперсемейству Р-петли (P-loop ATPase). Но в этом суперсемействе архейные хеликазы ближе к I семейству РНК-хеликаз, а бактериальные хеликазы – к белкам запуска репликации RecA. Проверочные 3' – 5' ДНК-экзонуклеазы относятся к одному большому суперсемейству, но архейные и бактериальные ферменты в нем ближе к разным семействам РНК-экзонуклеаз, чем друг к другу. SSB-белки бактерий и архей тоже принадлежат к одному семейству OB-укладки, куда входят различные ДНК– и РНК-связывающие белки. Однако архейные SSB-белки в пределах этого семейства ближе к аминоацил-тРНК-синтетазам, чем к своим бактериальным аналогам.

Многие вспомогательные компоненты репликативной вилки имеют общее происхождение у бактерий и архей: ДНК-лигазы, скользящий зажим, загрузчик скользящего зажима. РНКазы Н бактерий и архей тоже сходны и имеют общее происхождение, но не обязательно от LUCA. Этот же фермент есть и у ретровирусов. Он мог независимо попасть от них в клетки бактерий и архей.

Общее происхождение скользящего зажима и его погрузчика означает, что структура репликативной вилки, копирующей одновременно две цепи, могла существовать у LUCA – для более простых механизмов, например «катящегося кольца», скользящий зажим и ферменты его погрузки не требуются. Существование репликативной вилки указывает на большие геномные молекулы длиной более 100 000 пар нуклеотидов. Наличие у LUCA ДНК-лигазы и ДНК-зависимой РНК-полимеразы означает, что ДНК в какой-то форме у него уже была. Но принципиально разные ДНК-полимеразы и праймазы бактерий и архей объяснить труднее.

Возможны три основных объяснения:

1) LUCA имел обе версии системы репликации ДНК одновременно, бактерии унаследовали одну, археи – другую;

2) LUCA имел одну из современных систем репликации, в одной из двух линий потомков она была заменена на новую;

3) система репликации LUCA принципиально отличалась и от бактериальной, и от архейной, обе линии потомков ее заменили на современные варианты.

Leipe, Aravind, Koonin (1999) тогда сделали выбор в пользу третьего варианта. По их предположению, LUCA имел гетеродуплексный ДНК-РНК геном, в двухцепочечной форме которого была одна цепь РНК и вторая – ДНК. Такие двойные спирали из разных цепей называются гетеродуплексами. ДНК-РНК-гетеродуплексы прочнее, чем РНК и метил-РНК. Предполагаемый механизм репликации показан на рисунке 14.5 Б. Clamp и Clamp Loader – скользящий зажим и его погрузчик исходно могли помогать обратной транскриптазе не отделяться от копируемой цепи до окончания копирования. Нельзя, впрочем, исключить и другой вариант: у LUCA была репликативная вилка, и в ней работали вместе обратная транскриптаза и ДНК-зависимая РНК-полимераза.

Предположение о гетеродуплексном геноме LUCA легко объясняет, почему бактерии и археи имеют неродственные ДНК-полимеразы. Копировать двухцепочечную ДНК напрямую надежнее, чем через промежуточную стадию РНК, поэтому замена обратной транскриптазы на ДНК-зависимые ДНК-полимеразы была поддержана отбором в линиях бактерий и архей. Это предположение хорошо согласуется и с данными по РНК-полимеразе и ее вспомогательным белкам. Если РНК-полимераза делала молекулы РНК размером в целый геномный фрагмент, то начало и окончание ее работы должны были регулироваться не так, как в современных клетках. Казалось бы, все понятно, но последующие открытия только запутали картину.