Часть II: Репликация молекулы ДНК
Все мы на уровне понимания знаем, что такое ДНК, но сегодня хотелось бы капнуть чуть глубже. Как вы уже знаете ДНК представляет собой двойную спираль, закрученную антипараллельно и идущую в разных направлениях. Это значит, что одна нить идет в направлении от 5' конца к 3', а комплементарная ей — наоборот. Цифры 5 и 3 обозначают номера атомов углерода в дезоксирибозе, входящей в состав каждого нуклеотида.
Репликация ДНК — это процесс ее удвоения перед делением клетки. Удвоение происходит в S-фазе интерфазы клеточного цикла. Удвоение интересно тем, что происходит формирование репликационных вилок. При этом на одной материнской цепи синтез идет в сторону расхождения вилки, и этот синтез происходить непрерывно, без разрывов. На второй матрице синтез идет в обратную сторону от направления расхождения цепей исходной ДНК. Поэтому такой обратный синтез может идти только кусками, которые называются фрагментами Оказаки. Позже такие фрагменты «сшиваются» между собой.
Как только было доказано, что ДНК может быть кольцевой, ДНК бактерий, плазмидов - кольцевые, а также, что кольцевая форма ДНК чрезвычайно распространена, то возник вопрос о топологии ДНК. Тогда появилось новая область изучения на стыке математики, биофизики, биохимии, биологии и медицины - топология ДНК. Как уже говорилось, двойная спираль ДНК закручена, и с точки зрения математики к проблемам раскручивания ДНК применима теория узлов. Теория узлов была прекрасно развита для целого ряда инженерных специальностей, профессор Франк-Каменецкий был одним из лидеров этого направления в 70–80-е годы. Ныне он работает в университете Бостона. Тем не менее это были основополагающие работы, прекрасно цитируемые.
Интерес к топологии ДНК был также у математиков из Института теоретической и экспериментальной физики, в частности у профессора Монастырского — очень известного тополога, который и модифицировал некоторые уравнения, применимые для замкнутой ленты — а ДНК рассматривалась именно как замкнутая лента, — и предложил механизмы разрыва ребер ленты. Это легло в основу целого направления дальнейших исследований ДНК, потому что экспериментально разрывы в молекуле ДНК можно наблюдать с помощью метода линейного дихроизма.
Рассмотрение ДНК с точки зрения замкнутых линий возвращает нас к петле Мёбиуса. То есть, когда ДНК сильно перекручено, допустим 3 раза, и начинается процесс репликации, ДНК начинает раздваиваться. А так как она имеет форму поверхности Мёбиуса, то это нас приводит к образованию узлов молекулы - вспомните из первой части пример с разрезанием трижды перекрученной ленты. Могут возникать не только узлы, а также более длинные петли, соединенные петли и т.д. Что бы развязать узел, надо сделать определенное количество перецеплений, то есть разорвать молекулу ДНК и сшить её потом обратно. В клетке существует механизм, препятствующий образованию узлов. Существует большой класс ферментов, названные Топоизомеразы, к примеру два топологических изомера - узел и не узел. Эти ферменты умеют завязывать и развязывать узлы. Топоизомераза типа 2 разрывает обе цепочки молекулы ДНК и пропускает через брешь остальную часть ДНК, а потом сшивает молекулу. Это очень сложный процесс, изученный с помощью рентгеноструктурного анализа на атомном уровне. Двухнитевой разрыв для ДНК - это смерть в клетке, так как разрывы подобного рода не репарируются. Воздействовав определенным образом на эти топоизомеразы, можно предотвратить развития раковых клеток как раз путём разрыва топологических участков ДНК. Теперь ясно, что надо искать именно те молекулы, которые воздействуют на топоизомеразы.
Полезные источники:
https://www.youtube.com/watch?v=oQtKIPGhENs
https://postnauka.ru/video/36239
Спасибо за внимание.
