Два основных процесса, происходящих с молекулой ДНК в клетке, — это репликация и транскрипция. Оба осуществляются большими белковыми комплексами. При столкновении молекулярных машин на одной молекуле ДНК появляется опасность ошибок копирования и, как следствие, возникновения онкологических и генетических заболеваний.

Закрепим материал. Итак, ДНК в клетке подвергается двум основным процессам: 1) копированию, или репликации, которая осуществляется ферментом ДНК-полимеразой и вспомогательными белками, и 2) транскрипции, чей смысл заключается в синтезе молекулы матричной РНК на шаблоне ДНК с помощью фермента РНК-полимеразы. Первый процесс необходим для размножения организма, передачи генетической информации следующим поколениям, второй — для синтеза белка: именно на молекуле мРНК ещё одна молекулярная машина — рибосома — будет строить из аминокислот полипептидную цепь.

Это, а также особенности строения белковых комплексов, которые вовлечены в упомянутые выше процессы, позволяет нам уподобить ДНК железнодорожному полотну, по которому движутся два поезда: один быстрый, большой — наверное, междугородный, а второй — маленький и медленный — пригородный. Большой поезд — это ДНК-полимераза, маленький — РНК-полимераза.

Рис. 1.

Аналогия с поездами удобна и для описания того, что происходит, когда два белковых комплекса сталкиваются, — ведь ничто не мешает одной и той же молекуле ДНК быть вовлечённой как процесс репликации, так и в процесс транскрипции. Увы, последствия столкновения катастрофичны.

До сего дня, впрочем, считалось, что катастрофа сопровождает лишь лобовое противостояние ДНК- и РНК-полимераз. Нынешняя работа профессора Паноса Султаноса и его коллег из Ноттингемского университета (Великобритания) показывает, что, когда один поезд догоняет другой, то есть оба белковых комплекса движутся в одном направлении, неприятностей тоже не избежать. «Считалось, — поясняет профессор Султанос, — что в этом случае нагоняющий «быстрый» фермент просто замедляет движение, натыкаясь на медленного «коллегу». Мы же показали, что всё заканчивается масштабным «сходом с рельсов».

Когда комплекс ДНК-полимеразы срывается с молекулы ДНК, в дело вступают так называемые белки возобновления репликации, чья задача — посадить ДНК-синтезирующую машину обратно на ДНК. При этом сильно возрастает вероятность возникновения ошибок в процессе копирования, особенно если белки возобновления репликации по какой-то причине сами функционируют с погрешностями. Можно сказать, что плохо работающие белки возобновления репликации функционируют как мощные мутагены.

Подобные изъяны в репликации могут стать причиной разнообразных недугов, связанных с ошибками в ДНК, вплоть до рака. Особенно высока вероятность этого сценария в районе часто использующихся генов: с них снимается много копий мРНК для последующего синтеза белка, и когда к такому гену подходит ДНК-полимераза, она сталкивается с целой вереницей медленных РНК-полимераз, что многократно увеличивает вероятность ошибки при репликации. (За погрешности в процессе синтеза мРНК можно не очень волноваться — «сбивание с пути» РНК-полимеразы приводит к образованию недосинтезированной мРНК, которая в рабочем порядке расщепляется внутриклеточными ферментами.)

Таким образом, исследование намечает ещё одну «молекулярную зону», в которой можно сосредоточить усилия по лечению и профилактике онкологических и иных заболеваний, вызванных погрешностями и мутациями в ДНК.

Отчёт о работе британских учёных опубликован в статье:

Houra Merrikh, Cristina Machón, William H. Grainger, Alan D. Grossman & Panos Soultanas Co-directional replication–transcription conflicts lead to replication restart. – Nature. – 470. – P. 554–557; doi:10.1038/nature09758; Published online 23 February 2011.