Биологи раскрыли главный секрет существования ДНК

Ученые из США нашли возможную причину того, почему генетический код жизни сегодня основывается на ДНК, а не на РНК, бывшей основой жизни в добелковую эпоху, во время так называемого «мира РНК».

"ДНК может принимать особую форму, образуя так называемые пары Хугстина, которые помогают молекуле сопротивляться повреждениям и оставаться целой. С другой стороны, появление подобных структурных модификаций в молекуле РНК приводит к разрушению ее двойной спирали", — заявила Хойцин Чжоу (Huiqing Zhou) из университета Дьюка в Дареме (США).

Чжоу и ее коллеги раскрыли тайну появления ДНК, изучая формирование так называемых Хугстиновских пар — альтернативного метода связывания генетических «букв»-нуклеотидов друг с другом, характерного для примерно 1% элементов в двойной спирали ДНК.

Как объясняют ученые, двойная спираль ДНК существует благодаря тому, что ее «половинки» скреплены друг с другом при помощи так называемых водородных связей — сил межатомного притяжения, возникающих между частично положительно заряженными и отрицательно заряженными атомами, к примеру, между кислородом и водородом, азотом и кислородом. Яркий пример этого — то, как соединены между собой молекулы воды.

Как правило, в молекуле ДНК подобные связи налажены между двумя главными частями ее «букв» — так называемыми азотистыми основаниями. Для «букв» А и Т число этих связей равно двум, а для букв Ц и Г — трем.

Некоторое время ученые считали, что «кирпичики» ДНК могут связываться друг с другом только таким образом, однако уже через 10 лет американский биолог Карст Хугстин обнаружил, что возможна и альтернативная конфигурация водородных связей, при появлении которой молекула азотистого основания буквальным образом переворачивается, меняя то, какие атомы вступают в водородные связи.

Для пар «А-Т» это почти не сказывается на их структуре, однако пары «Ц-Г» в результате этого теряют одну из трех связей и становятся нестабильными. Это искажает спиральную структуру ДНК и делает возможным формирование различных необычных структур, часть из которых исползуется в работе организма.

Чжоу и ее коллеги показали, что подобные Хугстиновские пары, постоянно появляющиеся и исчезающие в двойной спирали ДНК, защищают ее от повреждений, позволяя молекуле генетического кода сохранять гибкость при ее чтении белками или при появлении разрывов.
Открыв этот феномен, авторы статьи решили проверить, обладает ли таким свойством РНК. К их удивлению, первые же опыты показали, что появление пар Хугстина в РНК очень быстро приводило к дестабилизации молекулы и разрушению двойной спирали.

Почему это происходит? Как считают ученые, это связано с тем, что двойная спираль РНК «закручена» более туго, чем молекула ДНК, что мешает переворачиванию нуклеотидов во время образования Хугстиновских пар и приводит к поломке молекулы. Подобное поведение, по мнению биологов, говорит о том, что молекулы РНК крайне уязвимы к появлению мелких повреждений, что может объяснять то, почему эволюция в конечном итоге заменила их на пару «белки-ДНК», оставив РНК роль «служанки» и тех и других «молекул жизни».