Wielka tajemnica genetyki rozwiązana?

Cztery zasady azotowe DNA? Niektóre wirusy wykształciły piątą

Mimo iż schemat budowy DNA wydaje się uniwersalny dla wszystkich organizmów żywych na Ziemi, to są wyjątki. Niektóre wirusy zamiast czterech zasad azotowych mogą wykorzystywać pięć, a taki mechanizm nie jest tak rzadki, jak mogłoby się wydawać.

Kilkadziesiąt lat temu, naukowcy odkryli wirusy, które jedną z czterech zasad azotowych występujących w DNA zamieniły na zupełnie nową, piątą. Teraz w Science opublikowano nowe badania, które wskazują, że takich wirusów są dziesiątki. Odkryto także mechanizmy, które za to odpowiadają. Jak to wszystko możliwe?

Genetyczny alfabet

DNA to podstawowy nośnik informacji, znajduje się w każdej komórce. Zawiera informacje o budowie i funkcjonowaniu każdego organizmu – zarówno najprostszego, jak i najbardziej złożonego.

Cząsteczka DNA (kwasu deoksyrybonukleinowego) ma postać podwójnej helisy, czyli dwóch spiralnie skręconych nici. Nici są połączone ze sobą parą nukleotydów. Każdy nukleotyd składa się z cząsteczki cukru – deoksyrybozy – reszty kwasu fosforowego i zasady azotowej. W DNA są cztery zasady azotowe: adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T). Jest jeszcze piąta zasada azotowa – uracyl (U) – która występuje w RNA (tam nie ma tyminy).

Kodony (tutaj DNA)

Zasady azotowe łączą się ze sobą wiązaniami wodorowymi w konkretny sposób: adenina z tyminą, a cytozyna z guaniną. To sprawia, że znając kolejność zasad azotowych jednej nici możemy wyznaczyć ich ustawienie w drugiej nici – to tzw. zasada komplementarności.

Trzy kolejne zasady azotowe nukleotydów tworzą tzw. kodon, który koduje jeden aminokwas w łańcuchowej strukturze białka. Są trzy tzw. kodony terminacyjne (TAA, TAG i TGA w DNA), które nie kodują żadnych białek, a polecenie przerwania biosyntezy białek. Jeden aminokwas może być kodowany przez kilka różnych kodonów. Są jednak takie, które koduje tylko jeden, np. tryptofan (TGG).

Trudno wyobrazić sobie coś bardziej fundamentalnego.

Floyd Romesberg, biolog syntetyczny z firmy Sanofi

Alternatywna instrukcja

Naukowcy zastanawiają się, czy kiedyś nie było więcej zasad azotowych niż tylko cztery. Mogły mieć zupełnie inne właściwości chemiczne, inaczej się wiązać, a nawet wykorzystywać inny zestaw reguł do reprezentowania informacji. Biolodzy syntetyczni od dawna próbowali to sprawdzić, tworząc sztuczne zasady azotowe i dodatkowe aminokwasy w celu wytworzenia nowych białek. Ewolucja zablokowała jednak takie możliwości, w efekcie czego obserwujemy dzisiaj tylko cztery zasady azotowe.

W 1977 r. naukowcy ze Związku Radzieckiego odkryli coś niezwykłego podczas badań wirusów infekujących bakterie fotosyntetyczne. Wszystkie cząsteczki adeniny zostały zastąpione alternatywną zasadą azotową – 2-aminoadeniną – którą później skrótowo określano mianem Z. Zazwyczaj cytozyna łączy się w parę z guaniną, a tymina z adeniną, ale w wirusie, w którym nie było adeniny, tymina parowała się z 2-aminoadeniną. Jak to możliwe?

Budowa DNA nie jest tak uniwersalna, jak nam się wydawało

To dlatego, że zasada azotowa Z wygląda jak nieco zmodyfikowana adenina (A). Drobna zmiana pozwala utworzyć potrójne wiązanie wodorowe, które jest stabilniejsze niż podwójne (normalnie występujące między A i T).

Początkowo wydawało się, że jest to odosobniony przypadek, coś, co należy traktować jako ciekawostkę. Temat porzucono na długie lata. Dopiero na początku XXI wieku zsekwencjonowano genom bakteriofaga badanego przez radziecki zespół i przez 15 lat poszukiwano podobnych przykładów. Okazuje się, że podobna „podmiana” występuje w genomach ponad 200 innych fagów. Odkryto także kluczowy enzym do produkcji 2-aminoadeniny oraz inny, odpowiadający za degradację adeniny.

Okazało się, że wirusy mają enzym odpowiedzialny za parowanie zasad azotowych Z z T podczas replikacji DNA. Była to pierwsza polimeraza, która selektywnie wykluczała tzw. kanoniczny nukleotyd.

Mechanizm obronny

Można się zastanowić, po co wirusom takie kombinacje? Czy nie łatwiej by im się żyło, gdyby trzymały się ustalonego przez ewolucję planu? 2-aminoadenina prawdopodobnie wyewoluowała, by pomóc wirusom ominąć mechanizmy obronne, za pomocą których bakterie je zwalczają. Podmiana T na Z wydaje się więc być czymś na kształt przewagi ewolucyjnej.

Trzeba pamiętać także o dodatkowym wiązaniu wodorowym. Według naukowców, potrójne wiązanie wodorowe nie tylko dodaje stabilności i sztywności DNA, ale może wpływać także na niektóre z jego właściwości fizycznych. Nie wiadomo, ile wirusów mogło dokonać takiej wewnętrznej ingerencji w swoje DNA. Naukowcy potwierdzają, że opisany mechanizm nie jest wyjątkiem, a pojawia się częściej, niż jeszcze dekadę temu byśmy się tego spodziewali.