» » Альтернативный способ репликации ДНК оказался эффективнее традиционного

Альтернативный способ репликации ДНК оказался эффективнее традиционного


Альтернативный способ репликации ДНК оказался эффективнее традиционного

Рис. 1. Схема инициации репликации (на примере дрожжей; у архей всё происходит похожим образом, потому что система репликации ДНК унаследована эукариотами от предков-архей). Сначала к точке начала репликации (origin) прикрепляется белковый комплекс ORC (origin recognition complex). Это способствует прикреплению комплекса MCM (репликативная геликаза, отвечающая за разматывание двойной спирали в ходе репликации). Затем присоединяются другие белки, необходимые для инициации репликации. Внизу показаны две репликационные вилки, движущиеся в обе стороны от точки начала репликации. Рисунок с сайта www.paterson.man.ac.uk


Процесс удвоения молекул ДНК (репликация) начинается в особых «точках начала репликации» (ТНР) — участках ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, к которым прикрепляются белки, расплетающие двойную спираль и инициирующие репликацию. В геноме солелюбивой археи Haloferax volcanii найдено четыре ТНР. Удаление любой из них, как и следовало ожидать, ведет к замедлению репликации и размножения микробов. Однако одновременное удаление всех четырех ТНР, как ни странно, ускорило репликацию и позволило археям размножаться быстрее. В отсутствие ТНР репликация инициируется «нетрадиционным» способом в произвольных местах хромосомы с обязательным участием ферментов, осуществляющих обмен участками между молекулами ДНК (гомологичную рекомбинацию). Открытие заставляет задуматься о том, зачем вообще нужны ТНР и как они появились. Возможно, изначально они были «эгоистичными генами», заботившимися лишь о собственном размножении, но потом подверглись «молекулярному одомашниванию» и стали приносить пользу, помогая регулировать и упорядочивать репликацию хромосом.

У всех живых организмов в геноме есть «точки начала репликации» (ТНР) — специфические последовательности нуклеотидов, служащие для прикрепления белков, инициирующих репликацию ДНК (рис. 1). Строение и число ТНР у разных организмов разное. У многих бактерий, геном которых представлен единственной кольцевой хромосомой, имеется всего одна ТНР на геном. Репликация, начавшись в этой точке, движется в обе стороны от нее, пока две репликационные вилки не соединятся, и из одной кольцевой хромосомы не получатся две. У архей обычно бывает по несколько ТНР на одной кольцевой хромосоме. Для эукариот характерно присутствие множества ТНР на каждой линейной хромосоме (до ста тысяч на геном). Независимый старт репликации сразу во многих точках способствует ускорению процесса.

Микробиологи из Ноттингемского университета изучили работу ТНР у важного модельного объекта — галофильной (солелюбивой) археи Haloferax volcanii, обитающей в Мертвом море и считающейся крайне архаичным микроорганизмом.

Чтобы выявить ТНР, авторы отсеквенировали ДНК из множества клеток и построили графики зависимости количества отсеквенированных фрагментов от их положения на кольцевой хромосоме H. volcanii. Поскольку репликация начинается с ТНР, в клетках должно быть больше всего копий участков, прилегающих к ТНР (они могут быть уже реплицированы, пока остальные участки еще остаются в единственном экземпляре). На таких графиках ТНР имеют вид острых пиков, разделенных сглаженными «долинами».

Анализ показал, что у лабораторного штамма H. volcanii, с которым работали исследователи, в единственной кольцевой хромосоме есть четыре ТНР, различающихся по степени активности (рис. 2a).


Альтернативный способ репликации ДНК оказался эффективнее традиционного

Рис. 2. Зависимость числа копий отсеквенированных фрагментов ДНК от расположения на хромосоме (кольцевая хромосома «разрезана» по самой активной точке начала репликации, oriC1). a — исходный штамм. Пики на графике соответствуют четырем ТНР: oriC1, ori-pHV4, oriC3, oriC2). b — штамм, у которого все четыре ТНР были удалены. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature


Чтобы выяснить, насколько важны для микроба эти четыре ТНР, авторы сконструировали штаммы архей, у которых одна, две, три или все четыре ТНР были удалены из генома. К немалому удивлению исследователей, все эти штаммы оказались жизнеспособными — даже тот, у которого точек начала репликации не осталось вовсе! Более того, именно этот штамм, полностью лишенный ТНР, размножался быстрее всех (на 7,5% быстрее, чем исходный штамм с четырьмя ТНР). Удаление трех наиболее активных ТНР увеличивает скорость размножения на 5,5% по сравнению с исходным. Удаление какой-нибудь одной ТНР, напротив, ведет к замедлению роста. Удаление двух ТНР из четырех мало влияет на скорость размножения (в зависимости от того, какие именно ТНР удаляются, она или чуть снижается, или немного растет). В целом у модифицированных штаммов наблюдается не прямая (как можно было бы ожидать), а обратная корреляция между активностью оставшихся (не удаленных) ТНР и скоростью размножения.

Эти парадоксальные результаты говорят о том, что по мере отключения ТНР у H. volcanii включается какой-то другой механизм инициации репликации, который работает тем эффективнее, чем слабее активность оставшихся ТНР. Проще всего предположить, что при этом активируются некие дополнительные, «спящие» ТНР (такое явление известно у дрожжей). Проверить эту гипотезу можно, построив уже знакомый нам график зависимости числа копий фрагментов ДНК от их расположения на хромосоме. Если проснулись спящие ТНР, это должно проявиться в виде новых пиков на графике. Однако график для штамма, лишенного ТНР, получился гладкий, никаких новых пиков на нем не появилось (рис 2b). У штаммов с единичными отключенными ТНР на графиках сохранились старые пики, соответствующие оставшимся ТНР, но они из заостренных стали сглаженными.

Из этого следует, что мы имеем дело с таким альтернативным механизмом инициации репликации, который срабатывает в произвольных местах хромосомы и не зависит от специфических нуклеотидных последовательностей ТНР. Что же это за механизм?

Некоторые вирусы для инициации репликации используют гомологичную рекомбинацию (см. Homologous recombination) — обмен сходными участками между двумя молекулами ДНК. В ходе гомологичной рекомбинации двойные спирали ДНК локально расплетаются, что создает предпосылки для формирования репликационной вилки. Гомологичная рекомбинация используется, в частности, для починки (репарации) разрывов ДНК (double-strand break repair). При этом вторая (целая) копия разорвавшейся хромосомы используется в качестве матрицы для наложения «заплатки» на поврежденный участок. Известно, что у бактерий (Escherichia coli) репарация разрывов ДНК может инициировать репликацию (это называется «репликацией, индуцируемой повреждением ДНК», DNA damage-inducible replication). Возможно, у архей, лишенных точек начала репликации, имеет место аналогичный процесс?

Чтобы проверить эту гипотезу, авторы попытались удалить из геномов подопытных микробов ген RadA, продукт которого катализирует гомологичную рекомбинацию у архей (родственные гены с той же функцией есть и у бактерий, и у эукариот, см.: Seitz et al., 1998. RadA protein is an archaeal RecA protein homolog that catalyzes DNA strand exchange). Дикие H. volcanii без гена RadA кое-как выживают, хотя и не могут осуществлять гомологичную рекомбинацию. В природе они бы не выжили, потому что не смогли бы эффективно зашивать разрывы ДНК, возникающие под действием жесткого солнечного излучения в поверхностных водах Мертвого моря (археи H. volcanii защищаются от радиации при помощи полиплоидности и гомологичной рекомбинации, подобно дейнококкам, о которых рассказано в новости Разгадана тайна микроба, не боящегося радиации, «Элементы», 03.10.2006). Но в лабораторных условиях они могут жить и размножаться. Оказались жизнеспособными после удаления (или отключения) RadA также и штаммы, лишенные части ТНР. Но вот получить жизнеспособную бактерию, лишенную RadA и всех четырех ТНР, исследователям не удалось. Дополнительные эксперименты подтвердили, что в отсутствие ТНР способность к гомологичной рекомбинации абсолютно необходима для репликации ДНК.

Ранее было показано, что некоторые мутантные штаммы кишечной палочки E. coli тоже могут инициировать репликацию при помощи гомологичной рекомбинации, если у них удалить ТНР. Но растут такие бактерии из рук вон плохо. Иными словами, утрата ТНР резко снижает их приспособленность. Напротив, скорость размножения архей H. volcanii после удаления всех четырех ТРН не только не уменьшилась, но даже выросла. Как это объяснить?

Разгадка, возможно, кроется в конкуренции между двумя механизмами инициации репликации за белковый комплекс MCM, ответственный за расплетание двойной спирали (см. рис. 1). Если все четыре ТНР активны, они оттягивают на себя все клеточные запасы MCM. По мере отключения ТНР часть молекул MCM освобождается и начинает присоединяться к так называемым D-петлям (см. D-loop), образующимся там, где происходит гомологичная рекомбинация. По-видимому, альтернативный механизм инициации более эффективен, но проигрывает традиционному в конкуренции за MCM.

Но зачем вообще нужны точки начала репликации, если без них H. volcanii размножается быстрее, по крайней мере, в лабораторных условиях? Фактически это означает, что ТНР вредны этому микроорганизму!


Альтернативный способ репликации ДНК оказался эффективнее традиционного

Альтернативный способ репликации ДНК оказался эффективнее традиционного

Рис. 3. Археи Haloferax volcanii под сканирущим электронным микроскопом. Микробы застигнуты в процессе спаривания (конъюгации). Видны перемычки между клетками, по которым передается ДНК. Масштабная линейка — 1 мкм. Изображение из статьи Rosenshine I., Tchelet R., Mevarech M. 1989. The Mechanism of DNA Transfer in the Mating System of an Archaebacterium


Для объяснения этого парадоксального факта авторы выдвинули удивительно смелую и красивую гипотезу. Они предположили, что ТНР изначально возникли как геномные паразиты — эгоистические фрагменты ДНК, заботящиеся исключительно о своей собственной репликации. Способность ТНР эффективно привлекать к себе репликативную геликазу MCM в таком случае можно рассматривать как адаптацию паразита к своему паразитическому образу жизни. Паразитические ТНР могли быстро распространиться в популяциях микробов, часто обменивающихся генами друг с другом (H. volcanii — как раз из таких, см. рис. 3).

Любопытно, что у архей рядом с каждой ТНР обычно находится ген белка ORC1, распознающего именно эту ТНР (см. рис. 1). Такое соседство гена распознающего белка с распознаваемой последовательностью нуклеотидов характерно для «эгоистических» участков ДНК, таких как мобильные генетические элементы.

В дальнейшем эгоистические ТНР могли подвергнуться «молекулярному одомашниванию» (см.: Прочтение генома опоссума доказало ключевую роль транспозонов в эволюции млекопитающих, «Элементы», 13.05.2007) и начать приносить пользу хозяйской клетке. Большинству микробов ТНР помогают контролировать и упорядочивать репликацию. Это необходимо тем микробам, которые тщательно регулируют свою плоидность и разграничивают фазу репликации ДНК и фазу сегрегации (расхождения хромосом по дочерним клеткам). Таким микробам важно, чтобы следующий акт репликации не начинался до тех пор, пока предыдущий не будет завершен. Но у H. volcanii очень много копий хромосомы в каждой клетке. Между этими копиями, по-видимому, осуществляется активная гомологичная рекомбинация (кроссинговер), что помогает полиплоидному микробу избегать накопления вредных рецессивных мутаций. Из-за высокой плоидности ему не нужно заботиться о точной сегрегации, равно как и препятствовать накладывающимся друг на друга актам репликации (между прочим, то, что он им действительно не препятствует, следует из того, что график на рис. 2a кое-где поднимается выше отметки 2: это значит, что в каждой клетке число копий участков хромосомы вблизи ТНР может более чем вдвое превышать число копий далеких от ТНР участков). Поэтому таким «архаичным» микробам, как H. volcanii, точки начала репликации не очень-то и нужны. Из-за этого их ТНР до сих пор проявляют свою исходную паразитическую природу, в то время как у более продвинутых прокариот они давно стали полезными частями хозяйского генома.

Возможно, гипотеза о паразитическом происхождении точек начала репликации и белков ORC выглядит пока недостаточно обоснованной и «притянутой за уши». Но даже если ТНР сразу возникли как полезная адаптация (а видимый вред, приносимый ими некоторым археям, представляет собой какую-то странную аберрацию), полученные результаты все равно очень полезны для понимания эволюционных корней такого важнейшего молекулярного механизма, как репликация ДНК. Здесь уместно вспомнить, что, согласно гипотезе Евгения Кунина и его коллег, у последнего общего предка всех ныне живущих огранизмов (LUCA, Last Universal Common Ancestor) уже была ДНК, но еще не было механизма ее репликации. Новые молекулы ДНК создавались на матрице РНК путем обратной транскрипции. Механизм репликации ДНК развился затем независимо в двух главных эволюционных ветвях потомков LUCA: у бактерий и архей (Leipe et al., 1999. Did DNA replication evolve twice independently?). Для этого, по-видимому, пригодились некоторые белки, участвовавшие в гомологичной рекомбинации (это процесс куда более древний, чем репликация ДНК). Например, репликативная геликаза бактерий DnaB (выполняющая ту же работу, что и MCM у архей и эукариот) произошла от ключевого белка гомологичной рекомбинации RecA (гомологичного упомянутому выше RadA) (Leipe et al., 2000. The Bacterial Replicative Helicase DnaB Evolved from a RecA Duplication). Еще один пример, показывающий, что функции репликативной геликазы и катализатора гомологичной рекомбинации достаточно близки, так что белки могут менять одну на другую, описан в новости Кроссинговер у мух контролируется белками, которые у других животных отвечают за репликацию ДНК, «Элементы», 11.12.2012.

Источник: Michelle Hawkins, Sunir Malla, Martin J. Blythe, Conrad A. Nieduszynski & Thorsten Allers. Accelerated growth in the absence of DNA replication origins // Nature. Published online 03 November 2013.

См. также:
1) Разгадана тайна микроба, не боящегося радиации, «Элементы», 03.10.2006
2) Кроссинговер у мух контролируется белками, которые у других животных отвечают за репликацию ДНК, «Элементы», 11.12.2012.

Александр Марков


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Асимметричное деление стволовых клеток сопровождается сортировкой гистонов

Стволовые клетки способны к асимметричному делению (одна из дочерних клеток остается стволовой, а другая дает начало специализированным клеткам). Американские биологи обнаружили, что при

Процесс появления новых ферментов прослежен в эволюционном эксперименте

Эксперименты на бактерии Salmonella enterica показали, что новые ферменты могут возникать по схеме «инновация — амплификация — дивергенция». Сначала у фермента в результате мутации появляется

Кроссинговер у мух контролируется белками, которые у других животных отвечают за репликацию ДНК

У всех животных, от губок до людей, для нормального кроссинговера (обмена участками хромосом при формировании половых клеток) необходим белковый комплекс Msh4-Msh5. Единственное исключение — мухи, у

Синтез РНК в «протоклетках» всё-таки возможен

Один из возможных сценариев зарождения жизни предполагает существование в прошлом «протоклеток» с липидной оболочкой, в которых шел неферментативный матричный синтез (репликация) РНК. Проблема в том,

Для успешного размножения мышам достаточно из Y-хромосомы всего двух генов

Исследователи из Гавайского университета продемонстрировали, что половые клетки самцов мышей, имеющих лишь два гена из всей Y-хромосомы, можно успешно использовать для искусственного оплодотворения.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаNASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?