ДНК — это не просто спираль, утверждают ученые

Когда в 1953 году была открыта знаменитая двойная спираль ДНК, она стала одним из главных символов современной науки. Изображение двух переплетённых цепочек, напоминающих винтовую лестницу, знакомо каждому. Именно в такой форме многие до сих пор представляют себе генетический материал человека.

Но, как выясняется, эта картина слишком упрощённая. Внутри живых клеток ДНК ведёт себя гораздо сложнее: она изгибается, образует петли, складывается в необычные пространственные конструкции и способна принимать формы, которые ещё недавно было трудно увидеть.

Новое исследование показывает: человеческий геном — это не просто длинная последовательность химических символов. Это сложная трёхмерная система, где важна каждая деталь — в том числе и геометрия самой молекулы.

Геном, который долго оставался неполным

Первые попытки расшифровать человеческий геном стали одним из крупнейших научных проектов XX века. В 2001 году был опубликован первый вариант генетической карты человека, однако она была далека от совершенства.

Около 8 процентов последовательности тогда не удалось определить. Основные трудности возникли при изучении повторяющихся участков ДНК — областей, где одни и те же фрагменты многократно повторяются. Такие последовательности сложно правильно собрать, если исследователь располагает только короткими фрагментами генетического материала.

Ситуация начала меняться с появлением технологий длинного считывания ДНК. Они позволили анализировать значительно более протяжённые участки молекулы и постепенно закрывать пробелы в генетической карте человека.

В 2022 году был представлен наиболее полный на тот момент эталонный геном человека, а год спустя учёные смогли расшифровать последнюю крупную недостающую область — мужскую половую хромосому Y.

Параллельно были созданы полные эталонные геномы нескольких человекообразных приматов: шимпанзе, бонобо, горилл, двух видов орангутанов и сиаманга. Эти данные позволили сравнить не только отдельные гены, но и более глубокую организацию наследственного материала.

Необычные формы ДНК скрывались в самых трудных участках

Команда исследователей из Пенсильванского университета решила использовать новые геномные карты, чтобы найти участки, способные формировать нестандартные структуры ДНК.

Учёные изучили геном человека и шести видов приматов, обращая внимание на последовательности, которые могут складываться в необычные пространственные формы.

Оказалось, что таких участков значительно больше, чем предполагали прежние исследования.

Особенно много их обнаружили в так называемой сателлитной ДНК — повторяющихся последовательностях, которые долго считались малоизученными. Эти участки не содержат инструкций для производства белков, однако играют важную роль в организации хромосом и поддержании стабильности генома.

Именно здесь природа, по всей видимости, использует сложную архитектуру ДНК как важный элемент клеточного устройства.

Какие формы может принимать ДНК

Двойная спираль — лишь один из вариантов существования ДНК. В определённых условиях молекула способна менять конфигурацию.

Среди обнаруженных структур:

• шпилечные формы, возникающие при взаимодействии отдельных участков одной цепи ДНК;
• G-квадруплексы — четырёхцепочечные структуры, богатые гуанином;
• изогнутые и петлеобразные участки;
• левозакрученные формы ДНК, отличающиеся от привычной правозакрученной спирали.

По оценкам исследователей, последовательности, способные образовывать такие структуры, могут занимать до 13 процентов человеческого генома.

Это огромная часть наследственного материала — и она долгое время оставалась практически невидимой для традиционных методов анализа.

Форма ДНК влияет на работу клетки

Новое открытие важно не только для фундаментальной биологии. Пространственная форма генома напрямую связана с тем, как работают клетки.

Необычные структуры ДНК могут влиять на:

• процесс копирования генетического материала перед делением клетки;
• восстановление повреждений ДНК;
• активность отдельных генов;
• химические изменения генома, регулирующие работу наследственной информации.

Иными словами, одна и та же последовательность ДНК может вести себя по-разному в зависимости от того, какую форму принимает молекула.

Учёные всё чаще говорят о переходе от изучения «линейного генома» к изучению его пространственной организации.

От помощника эволюции до источника болезней

Как и многие биологические механизмы, необычные формы ДНК имеют двойственную природу.

С одной стороны, они могут быть полезными. Такие структуры способны участвовать в эволюционных процессах, помогать перестройке генома и создавать новые варианты генетической информации.

С другой стороны, слишком сложная конфигурация молекулы иногда становится проблемой.

Если ДНК принимает нестабильную форму, клеточным механизмам может быть труднее правильно её скопировать. Это повышает вероятность появления мутаций.

Исследователи предполагают, что некоторые необычные структуры ДНК могут быть связаны с развитием онкологических заболеваний, нейродегенеративных нарушений и наследственных синдромов, включая синдром Вернера — редкое заболевание, сопровождающееся ускоренным старением организма.

Однако учёные подчёркивают: обнаружение таких структур ещё не означает, что они обязательно вызывают болезнь. Сейчас главная задача — понять, в каких условиях они становятся защитным механизмом, а когда превращаются в фактор риска.

Новая эпоха генетики: читать недостаточно — нужно видеть

На протяжении десятилетий генетика развивалась вокруг одного главного вопроса: какие именно последовательности записаны в ДНК?

Теперь становится очевидно, что этого недостаточно.

Геном — это не только текст из четырёх букв: аденина, тимина, гуанина и цитозина. Это объёмная молекула, которая постоянно меняет форму, взаимодействует с белками и организует работу клетки в пространстве.

Созданная учёными карта необычных структур пока не даёт окончательных ответов, но открывает новые направления исследований.

В будущем она может помочь понять, почему одни мутации становятся опасными, как возникают некоторые заболевания и каким образом можно будет точнее воздействовать на генетические механизмы человека.

Главный вывод нового исследования прост: чтобы понять жизнь, недостаточно знать, что написано в ДНК. Нужно ещё понять, как этот текст складывается в пространстве.

Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что ДНК мумий Чили доказала европейское происхождение оспы в Америке