Самая главная молекула

С другой стороны, те же данные по плавлению ДНК свидетельствовали о существенном взаимодействии между соседствующими вдоль цепи парами оснований, которое получило название стэкинг-взаимодействия (от английского слова stack, что значит «штабель, стопка»). Получалось, что по каким-то непонятным причинам все 10 стэкинг-взаимодействий между соседними парами оснований практически одинаковы, иначе бы нарушалась линейная зависимость температуры плавления от Г•Ц-содержания. Заметим, что всего контактов между соседними парами 16, но из-за правила комплементарности разных контактов 10: идентичны контакты АГ / ЦТ, ГА / ТЦ, АЦ / ГТ, ЦА / ТГ, АА / ТТ и ГГ / ЦЦ. Из данных по плавлению удалось извлечь различия в стэкинг-взаимодействиях между разными контактами, но эти различия рассматривались как малая поправка к основному эффекту: была полная уверенность, что двойная спираль стабилизируется главным образом Н-связями между коплементарными парами и различие в температуре плавления разных участков ДНК практически целиком определяется различием в содержании Г•Ц-пар между этими участками. На самом деле, как стало постепенно ясно, из данных по плавлению нельзя извлечь отдельно вклад в стабильность от спаривания оснований и вклад от стэкинг-взаимодействий. Так что уверенность в определяющей роли спаривания оснований основывалась не на твердом знании, а на знаменитом принципе, известном как «бритва Оккамы» (мы уже упоминали этот принцип в главе 4), т. е. казавшееся простейшим объяснение данных по плавлению ДНК принималось за истину.

Разделить вклады в стабильность двойной спирали от спаривания оснований и от стэкинг-взаимодействий удалось в моей группе в Бостонском университете в 2004–2006 годах. Эта работа была выполнена моим тогдашним постдоком, выпускницей МФТИ, защитившей диссертацию в Университете Торонто, Катей Протозановой и моим аспирантом Петей Яковчуком.

Идея работы возникла совершенно случайно, в ходе изучения коротких синтетических молекул ДНК, содержащих однонитевой разрыв («ник»). Мы обратили внимание на то, что такие молекулы движутся в геле при электрофорезе слегка медленнее, чем молекулы без разрыва. Оказалось, что причина в том, что молекулы с ником часть времени проводят в состоянии стэкинга, т. е. движутся так же, как и молекулы без разрыва, а часть времени проводят в состоянии разрушенного стэкинг-взаимодействия, как проиллюстрировано на рис. 40, и движутся в геле медленнее. Соотношение этих двух состояний должно экспоненциально зависеть от энергии стэкинга, согласно известному распределению Больцмана (точнее, речь идет не об энергии как таковой, а о свободной энергии). Таким образом, приготовив 16 синтетических молекул, отличающихся только двумя парами оснований слева и справа от места ника, мы определили энергию стэкинг-взаимодействий для всех 16 контактов. Важным инструментом, который мы при этом использовали, были специальные ферменты – никазы, способные совершенно точно наносить ник в определенном месте двухнитевой ДНК. Собственно, в ходе изучения работы никаз мы и наткнулись на эффект замедленного движения молекул с ником в геле.

Рис. 40. ДНК, содержащая однонитевой разрыв («ник»), может находиться в двух состояниях, в одном из которых сохраняется стэкинг-взаимодействие между парами оснований, расположенными по обе стороны от ника, а в другом это взаимодействие разрушено

Что же в итоге оказалось? Мы определили энергии всех контактов, и они менялись от контакта к контакту так же, как те значения энергии, которые были найдены ранее из данных по плавлению ДНК. Но когда мы вычли из общей энергии стабилизации двойной спирали энергию стэкинг-взаимодействий и тем самым определили вклад Н-связей внутри комплементарных пар в энергию стабилизации, нас ждал большой сюрприз. Оказалось, что этот вклад практически равен нулю! Точнее, А•Т-пары слегка дестабилизируют двойную спираль, а Г•Ц-пары слегка стабилизируют, но вклад тех и других гораздо меньше, чем стабилизирующий эффект стэкинг-взаимодействий. Иными словами, открывшаяся картина меняла устоявшееся представление об относительной роли Н-связей и стэкинг-взаимодействий в стабилизации двойной спирали на 180 градусов.

Но как такое могло быть? Как это так: Н-связи, считавшиеся такими важными и в ДНК, и в РНК, и в белках, вдруг оказались не важными для стабильности двойной спирали? И разве из железно установленного факта линейной зависимости температуры плавления ДНК от Г•Ц-содержания не следовало однозначно, что вклад стэкинг-взаимодействий мал по сравнению с вкладом Н-связей? Давайте разберемся по порядку.