Найдено новое структурное отличие РНК от ДНК

Ученые из Университета Дьюка в Северной Каролине обнаружили, что РНК, в отличие от ДНК, нетерпима к образованию неклассических хугстиновских пар оснований. Из-за этого два типа нуклеиновых кислот очень по-разному реагируют на некоторые виды модификаций, что может иметь большое значение для возникновения нынешней специализации РНК и ДНК в ходе эволюции. Исследование опубликовано в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

С точки зрения химии отличия ДНК от РНК сводятся к тому, что в ДНК: 1) вместо азотистого основания урацила используется тимин, а 2) в сахарофосфатной цепи отсутствует так называемый 2'-гидроксил (читается «два-штрих»), — группа, отличающая рибозу от дезоксирибозы. При этом наибольшие последствия в смысле структуры и химии имеет именно второе отличие: 2'-гидроксил делает невозможным сворачивание двуцепочечной РНК в B-спираль — основную форму ДНК в клетке, — оставляя нуклеиновой кислоте на основе рибозы только А-тип спирали. Кроме того, «лишний» гидроксил делает РНК более реакционноспособной чем ДНК, — от нее легче «отваливаются» основания под действием щелочей. В том числе на основании этого отличия биологи полагают, что переход с РНК на ДНК как основной носитель генетической информации мог иметь крупное эволюционное преимущество на заре возникновения жизни.

В новой работе ученые обнаружили еще одно потенциально важное следствие наличия 2'-гидроксила у РНК, и на этот раз оно связано с образованием так называемых хугстиновских пар оснований.

Основной тип спаривания азотистых оснований, который лежит в основе функционирования ДНК, был открыт еще в знаменитой работе Уотсона и Крика в 1953 году и получил впоследствии имена своих первооткрывателей. Однако уже несколько лет спустя было обнаружено, что уотсон-криковское спаривание — не единственный возможный вариант взаимодействия оснований в ДНК. В 1959 году Карст Хугстин обнаружил, что вращение основания на 180 градусов вдоль гликозидной связи (между сахарным остатком и основанием) может приводить к другому типу спаривания — менее энергетически выгодному, но вполне осуществимому. В клеточной ДНК оно встречается редко (хотя и необходимо для образования некоторых экзотических структур), поэтому большого функционального значения ему до сих пор не придавали. Только недавно было показано, что уотсон-криковское и хугстиновское спаривание существует в рамках одной молекулы в динамическом равновесии. И, хотя «неклассические» структуры занимают суммарно не более трех процентов генома в каждый момент времени, они могут играть свою роль там, где ДНК взаимодействует с белками или малыми молекулами.

В новой работе ученые обнаружили, что с точки зрения возможности образования хугстиновских пар ДНК и РНК ведут себя очень по-разному: если ДНК в своей B-форме почти не меняется при таком спаривании, то РНК, если не может спариться «классическим» способом, просто «распаривается» (то есть плавится) в этом месте двойной цепи.

Установить это удалось с помощью использования метода ядерного магнитного резонанса на двуцепочечных фрагментах ДНК и РНК, которые включали особые метилированные основания. Метильные группы в эти основания были введены так, что некоторые пары не могли нормально взаимодействовать — этому мешали метильные группы — но хугстиновское спаривание оставалось возможным (следует отметить, что такое метилирование отличается от обычного эпигенетического метилирования, при котором нормальному спариванию ничто не мешает).

В результате оказалось, что наличие в РНК «лишнего» по сравнению с ДНК гидроксила приводит к тому, что потенциальное хугстиновское спаривание оказывается настолько энергетически невыгодным, что молекуле проще вообще не образовывать пары в месте введения метилированного основания. ДНК в той же ситуации ведет себя по-другому: введение метилированной группы сдвигает равновесие в пользу хугстиновской пары, но общая геометрия и структура молекулы не меняется.

Ученые интерпретируют полученные данные следующим образом: отсутствие гидроксила делает ДНК более структурно податливой и поэтому более устойчивой к модификациям и повреждениям, что, потенциально, может быть полезно для носителя генетической информации. С другой стороны, плавление РНК в месте метилирования позволяет ей формировать сложные трехмерные структуры, которые для ДНК недоступны. В работе авторы приводят яркую иллюстрацию важности такой особенности РНК: метилирование одного из гуанинов в транспортной РНК пролина, — того, что непосредственно прилежит к GGG антикодона — предотвращает сдвиг рамки считывания на +1, который бы обязательно происходил, если бы такого метилирования не было.