Но помимо очевидных различий, дрожжи и люди, а также большая часть жизни в этом отношении имеют много общего, особенно на клеточном уровне. Одна из этих общих черт – это фермент, который наши клетки используют для создания РНК-копий участков нашей ДНК. Фермент скользит по нити ДНК, распакованной из хромосомы, в которой он находится, для «чтения» генетического кода, а затем собирает нить РНК, содержащую тот же код.
Этот процесс копирования, известный как транскрипция, происходит на молекулярном уровне, когда ген активируется в организме. Фермент, ответственный за это, РНК-полимераза, обнаружен во всех эукариотических клетках (клетках с ядром), и он практически одинаков для всех, независимо от того, происходят ли клетки из красного дерева, дождевого червя, карибу или гриба.
Однако этот факт стал загадкой для ученых: хотя ДНК в дрожжевой клетке во многом отличается от ДНК в клетке человека, один и тот же фермент может работать с обоими.
Теперь команда исследователей Калифорнийского технологического института обнаружила один из способов, которым это происходит.
В статье, опубликованной в выпуске Molecular Cell за 15 июля, команда, в которую входят Пол Стернберг, профессор биологии Брена и аспирант Порфирио Кинтеро Кадена, показывает, что фермент биологически адаптирован для соответствия различным типам ДНК за счет добавления хвост из аминокислот (аминокислоты являются строительными блоками белков и ферментов), длина которого коррелирует с длиной ДНК, с которой работает фермент.
Чем длиннее ДНК, тем длиннее аминокислотный хвост.
«Интересный вопрос заключался в том, как широкий спектр разнообразных в молекулярном отношении видов на Земле может использовать один и тот же механизм активации генов», – говорит Кинтеро Кадена. "В частности, поскольку этот механизм требует соединения двух частей молекулы ДНК, для видов с длинными молекулами ДНК должно быть труднее транскрибировать гены."
Чтобы представить, как аминокислотные хвосты помогают ферментам работать с двумя частями длинной молекулы ДНК, полезно представить хвосты и ДНК, как части липучки, с ферментом, состоящим из двух половинок липучки, каждая из которых фиксируется на дополнительном участке ДНК. Чтобы начать транскрибировать ДНК в РНК, две половинки должны «найти» друг друга и соединиться.
Этот процесс подключения на самом деле довольно произвольный. Два фрагмента ДНК случайным образом перемещаются внутри клетки, пока не столкнутся друг с другом.
Более длинные аминокислотные хвосты не увеличивают шансы этих случайных встреч, но они делают ферменты более «липкими», поэтому, когда они сталкиваются друг с другом, более вероятно, что они останутся вместе.
Это не единственный способ, которым аминокислотные хвосты помогают в транскрипции ДНК, однако. Кинтеро Кадена говорит, что, объединяя больше ферментов, хвосты также могут иногда создавать безмембранные органеллы, по сути, зону внутри клетки, где локализована транскрипция ДНК. Как правило, каждую органеллу клетки можно рассматривать как отдельный объект, окруженный собственной мембраной – той, которая удерживает в своем содержимом.
Тем не менее, исследование команды показывает, что когда дело доходит до полимеразы, их хвосты помогают ферментам собираться в определенном месте, не ограничиваясь мембраной. Это связано с тем, что аминокислотные хвосты, прикрепленные к ферменту полимеразы, имеют большее сродство к другим аминокислотным хвостам, чем к жидкости, заполняющей клетку. Это мало чем отличается от того, как масло, смешанное с водой, отделяется и собирается в собственные капли.
Тем не менее, Quintero Cadena добавляет, в отличие от масла, которое не имеет сродства к воде, аминокислотные хвосты могут быть химически адаптированы клеткой, чтобы иметь столько или меньше сродства к другому клеточному содержимому, сколько необходимо. Это позволяет клетке регулировать, насколько сильно ферменты собираются друг с другом.
Кинтеро Кадена говорит, что эти открытия дают более четкое представление о том, как гены активируются в клетке и как один и тот же клеточный механизм адаптировался в процессе эволюции для функционирования в очень разных организмах.
«В краткосрочной перспективе это незаметно, но важно меняет картину в наших головах о том, как молекулы взаимодействуют, чтобы включить ген», – говорит он. "В долгосрочной перспективе лучшее понимание активации генов рисует более полную картину внутренней работы клетки, что может помочь нам понять, как вещи, которые идут не так в клетке, могут способствовать заболеваниям, и в более общем плане понять, как клетки меняться со временем, чтобы адаптироваться к разным условиям."