Глава 3

Функционирование ДНК

Изучение механизмов функционирования ДНК представляет собой важную составляющую часть молекулярной биологии. Основной зада­ чей большинства исследователей, работающих в этой области, являет­ ся нахождение взаимосвязи функциональных свойств ДНК и первичной структуры молекулы. Однако в последние годы исследователи стали уде­ лять больше внимания физическим аспектам функционирования ДНК. Одной из новых задач, ставших перед ними, стала задача о нахожде­ нии взаимосвязи между динамическими и функциональными свойства­ ми ДНК. В этой главе мы опишем кратко основные элементы функцио­ нирования ДНК, необходимые для понимания материала последующих глав. Мы особо подчеркнем те элементы функционирования, где физи­ ческие свойства и особенно динамические свойства играют решающую роль.

3.1.Физические аспекты функционирования ДНК

Вразделе 1.6 мы уже описали некоторые физические свойства мо­ лекулы ДНК. Среди прочих мы упомянули, что молекула ДНК являет­ ся квазиодномерной и квазипериодической системой и что это свойство делает ее очень похожей на модель квазиодномерного кристалла, кото­ рая достаточно хорошо изучена в физике. Мы подчеркнули также, что

молекула ДНК является очень гибкой структурой и что она имеет мно­ го внутренних степеней свободы. Наконец, мы отметили, что молекула ДНК является существенно неоднородной системой.

Сейчас, однако, при рассмотрении физических аспектов функциони­ рования ДНК мы должны добавить некоторые дополнительные детали к этому описанию. Первое дополнение касается характера неоднород­ ности ДНК. Мы должны подчеркнуть здесь, что неоднородность ДНК существенно отличается от тех, которые традиционно рассматривают­ ся в физических моделях: точечных неоднородностей, неоднородностей в виде границы между двумя однородными областями или случайных неоднородностей.

Неоднородность ДНК характеризуется наличием различных локаль­ ных областей (именуемых сайтами или блоками), причем каждая из них имеет специфическую последовательность оснований и обладает специ­ фической функцией. Таким образом, любую молекулу ДНК или ее фраг­ мент можно представить как систему, разделенную на различные функдиональные области. В качестве примера мы представили на рис. 3.1 простую схему фрагмента ДНК, содержащего несколько функциональ­ ных областей, необходимых для синтеза РНК и его регуляции. Этот фрагмент содержит промоторную область, Р, кодирующую область, С, несколько регуляторных областей, P i, Р 2, Р 3, и терминаторную область, Т, которая разделяет два гена: г-й и (г + 1)-й. Терминаторная область показана как область, имеющая крестообразную форму. Каждая из об­ ластей играет свою собственную специфическую роль на определенной стадии процесса транскрипции.

Рис. 3.1. Схема фрагмента ДНК. Р, С,Т — промоторная, кодирующая и терми­ наторная области соответственно; Pi, Р2, Рз —регуляторные области г-го гена; R'i, Р 2, и т. д. —регуляторные области (г-f 1)-го гена

Другой особенностью является сильная зависимость функциональ­ ных свойств сайтов от изменений их конформационной структуры. То есть любое изменение структуры локальной области (например, переход из Л-формы в P -форму) приводит к изменению характера взаимодей­ ствия этого фрагмента с белками или другими внешними молекулами и, следовательно, приводит к изменению функциональных свойств этой об­ ласти. Отсюда следует, что динамические свойства локальных областей, которые определяют их способность изменять внутреннюю структуру, напрямую связаны с функциональными свойствами этих областей.

3.2. Интеркаляция

Взаимодействие-ДНК с внешними молекулами происходит на всех стадиях жизни ДНК. ДНК взаимодействует, в частности, со многими лекарствами, канцерогенами, мутантами и красителями. Поскольку мо­ лекула ДНК играет важную роль в процессе репликации и белковом биосинтезе, любые модификации молекулы, вызванные взаимодействи­ ями с этими соединениями, сильно влияют на клеточный метаболизм, замедляя или ускоряя рост клетки. Эти свойства широко используются в медицине.

Существуют различные пути, которыми молекула ДНК взаимодей­ ствует с этими соединениями. Одним из них является интеркаляция ве­ щества между соседними парами оснований без какого-либо искажения пар.

Рис. 3.2. (а) ДНК и три лекарственные молекулы; (Ь) ДНК с тремя интеркалированными лекарственными молекулами

Первое предположение о возможности интеркаляции было сделано Лерманом [200] в 1961. Он предположил, что процесс интеркаляции включает встраивание молекул лекарства наподобие сэндвича между двумя соседними парами оснований ДНК (рис. 3.2). Согласно его под­ ходу, пары оснований остаются перпендикулярными оси спирали, но при этом раздвигаются, чтобы поместить молекулу лекарства (шириной, при­ близительно равной 3.4 А), которая находится в ван-дер-ваальсовом вза­ имодействии с парами оснований, расположенными выше и ниже. Близ­ кий контакт между 7г-орбиталями молекулы лекарства и пар оснований

помогает стабилизировать комплекс через гидрофобные силы и силы, связанные с переносом заряда. Поскольку в природной ДНК сахаро­ фосфатная цепочка фактически полностью растянута, двойная спираль вынуждена расплестись, чтобы вместить лекарство. Это ведет к локаль­ ному искажению (деформации) спирали, и это искажение спирали в интеркалированных сайтах будет разрушать на больших расстояниях ре­ гулярность спирали.

Идея об интеркаляции была развита в дальнейшем Фуллером и Варингом [201], а также Невиллом и Дэвисом [202]. Сейчас этот механизм взаимодействия широко признан и применяется не только в фармако­ логии при изучении новых лекарств, но и в исследованиях структуры и функции ДНК.

Изучение термодинамических и кинетических параметров интеркаляционного процесса показывает, что этот процесс не является коопера­ тивным и что он состоит из двух стадий: (1) связывание с периферией двойной спирали и (2) собственно сама интеркаляция. Исследования по­ казывают также, что динамические свойства ДНК играют круциальную роль в понимании механизма интеркаляции. Действительно, для того чтобы произвести интеркаляцию, необходимо раздвинуть-соседние пары оснований. Можно предположить, что для такого раздвижения необхо­ димы по крайней мере два типа внутренних движений: локальное растя­ жение двойной спирали и одновременное расплетание ее. Эти локальные нарушения внутренней структуры ДНК малы, но в совокупности они мо­ гут привести к увеличению длины ДНК и ее жесткости.

3.3. Белок-нуклеиновое узнавание

Другой способ взаимодействия ДНК с различными соединениями и особенно с белками часто называют узнаванием. В этом случае моле­ кулы белков взаимодействуют очень специфично с ДНК, а именно они взаимодействуют только со специальными областями (сайтами) ДНК, имеющими определенные последовательности оснований, которые узна­ ются белками с высокой степенью точности.

Если мы примем во внимание особенности структуры ДНК и тот факт, что основания располагаются внутри двойной спирали (рис. 3.3), мы естественно придем к следующему заключению: чтобы узнать об­ ласть с некоторой специальной последовательностью оснований, процесс взаимодействия должен сопровождаться предварительной стадией, в ко­ торой двойная спираль локально расплетается и основания открываются для узнавания.