Все сведения о структуре тканей и органов живых существ закодированы в носителях наследственной информации - молекулах ДНК. Информацию с носителя считывает фермент ДНК-полимераза, которому для начала работы нужна короткая затравка – праймер, комплиментарный небольшому участку материнской ДНК. Но уже в 60-х годах прошлого века ученые из Стэндфордского университета (Okazaki & Kornberg) обнаружили, что некоторые прокариотические полимеразы способны синтезировать ДНК без какой-либо матрицы и праймера. Но поскольку эти исследования проводились с частично очищенными препаратами ферментов, научное сообщество предположило, что этот синтез может быть артефактом, возникшим из-за загрязнения проб. В 1997 г. японские ученые Огата и Миура сообщили, что ДНК-полимераза из морской архебактерии может синтезировать линейную двухцепочечную ДНК при полном отсутствии комплекса праймер-матрица. При этом они убедительно доказали невозможность загрязнения реакционной смеси ДНК, которая могла бы служить праймером или матрицей. Обнаруженый учеными феномен получил название безматричного синтеза или синтеза ab initio.

Позднее было описано еще одно интересное явление: добавление в пробу реакции ab initio помимо полимеразы других бактериальных ферментов - эндонуклеаз рестрикции или же их ближайших родственников сайт-специфических никаз делает этот синтез намного более эффективным. Эндонуклеазы - это большая группа ферментов, которые узнают в последовательности ДНК определенный участок и в этом месте с хирургической точностью разрезают ДНК по двум цепям. Сайт-специфические никазы обладают теми же свойствами, но разрезают ДНК только по одной из цепей. Ученые выяснили, что продуктом такой реакции ab initiо является двухцепочечная ДНК, нуклеотидная последовательность которой состоит из повторяющихся последовательностей, узнаваемых эндонуклеазой или никазой. Однако очень мало известно о структуре этой ДНК.

Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и Ресурсного центра «Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета с помощью атомно-силовой микроскопии изучили ДНК, синтезированную ab initio. Результаты их исследований опубликованы в сентябрьском выпуске JOURNAL OF BIOMOLECULAR STRUCTURE & DYNAMICS.

Ученые выяснили, что ДНК, синтезированная ab initio с ДНК-полимеразой Bst, неоднородна и состоит из нитей различной длины, некоторые из которых способны образовывать сетчатые структуры. Один из авторов исследования, старший научный сотрудник Лаборатории биофизики возбудимых сред ИТЭБ РАН, кандидат биологических наук Валерия Антипова рассказала пресс-службе института: «На протяжении всей реакции новые молекулы возникают одновременно с полимеризацией (удлинением) уже синтезированных молекул. Присутствие сайт-специфической никазы из штамма Bacillus stearothermophilus в реакции синтеза ab initio влияет на длину и структуру синтезируемых молекул».

Вполне вероятно, что изучаемый учеными феномен демонстрирует, каким образом с помощью различных древнейших белковых молекул возникала генетическая информация на нашей планете. Помимо этого, данное исследование имеет и практический аспект: дело в том, что у существующих в настоящее время многочисленных способов (изотермической) амплификации нуклеиновых кислот имеется существенный недостаток - накопление неспецифических продуктов, которые затрудняют идентификацию специфических последовательностей. Возможно, что подобные неспецифические продукты появляются в результате реакции синтеза ab initio. Поскольку такие методы очень востребованы, например, для диагностики различных инфекционных агентов, устранение неспецифической амплификации весьма актуальная проблема. Ученые предполагают, что полученные ими данные позволят разработать способы ингибирования этой реакции или выявить возможный механизм образования продуктов этого синтеза.

Источник: Antipova, V.N; Reveguk, Z.V; Kraynyukov, E.S; Zyrina, N.V. Structure of DNA obtained during the ab initio synthesis by Bst DNA polymerase in the presence of the nicking endonuclease from Bacillus stearothermophilus (Nt.BstNBI), JOURNAL OF BIOMOLECULAR STRUCTURE & DYNAMICS, Том: 37, v. 13 pp.: 3314-3321 DOI: 10.1080/07391102.2018.1515662

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30146945

Материал подготовила: Перевязова Т.А.
Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru ,
Пресс-релизы ИТЭБ РАН: https://iteb.ru/press-center/press-releases/

На рисунке: Сравнение «природной» ДНК на примере ДНК фага Lambda (сверху) и ДНК, синтезированной ab initio ДНК-полимеразой Bst с добавлением никующей эндонуклеазы (снизу). ДНК, синтезированная ab initio неоднородна, и состоит из нитей различной длины, некоторые из которых способны образовывать разветвленные структуры. Фото на рисунке получены с помощью атомно-силовой микроскопии. Рисунок предоставлен Валерией Антиповой.