В Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН исследователи изучают новый тип пространственной организации нуклеиновых кислот. Разбираемся, что это такое, каковы первые итоги и почему они важны для науки и медицины.

На протяжении многих лет ученые занимались анализом физико-химических свойств нуклеиновых кислот с различной структурной и пространственной организацией. «Было показано, что очень короткие фрагменты биополимеров, длиной всего несколько нуклеотидов, могут собираться в многомолекулярные комплексы: длинные цепочки, — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Анатольевич Ломзов. — Анализируя такие структуры, мы обнаружили совершенно новую способность этих систем формировать короткие системы в виде «скрепок», которым дали название самоограниченных комплексов».

Специалисты детально описали то, как они могут формироваться. «Дальше у нас появилось предположение, что «скрепки» могут быть образованы самозамкнутой структурой, то есть создаваться не двумя цепочками, а одной. Мы решили попробовать соединить эти два кусочка в одну протяженную полимерную цепь, а после посмотреть: возникнет ли такой самоограниченный комплекс или нет», — говорит ученый. На примере цепочки ДНК ученые обнаружили, что такие комплексы действительно формируются, притом также являются самоограниченными. Кроме того, они показали, что такие структуры могут организовываться как внутри ДНК, между ДНК с РНК, так и внутри цепи РНК.

Исследователи из ИХБФМ СО РАН — первые, кто смог обнаружить такие самоограниченные комплексы. В научной литературе они представлены еще не были. Существовали только описания аналогов таких структур с подобным способом пространственной организации, образованных как одной, так и двумя цепями. Если рассматривать ДНК, то в живых системах могут образовываться необычные структуры, представляющее собой SLS-формы — структуры со сдвинутыми петлями, то есть в этом случае «скрепки» взаимодействуют друг с другом в двойной спирали. В РНК некоторое подобие новых комплексов называется псевдоузлами H-типа, они располагаются друг за другом в линию. «В нашем случае, рассматривая необычную форму ДНК (отличную от известной стандартной двойной спирали, так называемой В-формы), при новом типе пространственной организации образуются две параллельно идущие двойные спирали — дуплексы. Если брать во внимание псевдоузлы H-типа РНК, то здесь обычно два дуплекса идут не параллельно, а один стоит над другим. При новом типе конформации радикальное отличие состоит в том, что дуплексы располагаются параллельно, а не один над другим, и образуются одной цепью», — объясняет Александр Ломзов. Ученые предполагают, что такие самоограниченные комплексы могут формироваться в живых системах, в том числе и в геноме человека.

Сейчас исследования проводятся в рамках проекта РФФИ. Над ними работает команда физиков, химиков, биологов, молекулярных биологов, биохимиков и биоинформатиков. Физико-химический блок работ направлен на детальное изучение того, как такие комплексы формируются в пробирке. Биологический или биоинформатический блок ориентирован на анализ того, где могут встречаться эти структуры: в геноме или в траскриптоме (совокупности всех молекул РНК, которые синтезируются в клетке) человека. То есть специалисты занимаются поиском новых комплексов и пытаются соотнести их с аннотированными участками цепи РНК или ДНК — с такими частями, для которых ранее уже были описаны свойства.

Последний блок, к которому ученые только начинают приступать, это биологические исследования в живых системах. «Мы показали — эти структуры могут образовываться в пробирке. Методами биоинформатического анализа обнаружили, что последовательности, потенциально формирующие их, присутствуют в ДНК и в некоторых видах РНК. В перспективе планируется доказать, что они существуют и в клетке, — говорит Александр Ломзов. — Сейчас мы активно продолжаем работать над проектом».

Теоретически, если самоограниченные комплексы образуются в реальных живых системах, это дает достаточно широкие перспективы как для фундаментальных исследований, так и диагностики и терапии.

С точки зрения фундаментальных исследований это делает возможным приблизиться к лучшему пониманию устройства и функционирования клеток и организмов. С точки зрения практической значимости сначала нужно разобраться, в какие молекулярно-биологические процессы вовлечены структуры нового типа, а после станет понятнее, какие конкретные применения могут быть. Теоретически будет возможным создание диагностических систем, если такие комплексы взаимодействуют с какими-либо белками. Пример аналога таких работ — это аптамерные системы. (Аптамеры — молекулы, способные специфически связываться с определенными молекулами-мишенями, например белками. — Прим. авт.). Можно использовать эти новые «аптамеры» для того, чтобы выявлять, например, вирусные белки в крови человека. Другими словами, сделать диагностические системы, специфично реагирующие на какие-либо высокомолекулярные органические вещества, белки или нуклеиновые кислоты. Это дает толчок в создании нового инструмента для выявления специфических биологических маркеров. «В теории, мы сможем регулировать молекулярно-биологические процессы на уровне клетки или организма. Например, искусственным образом вводя такие структуры, которые будут связываться с белком и не давать ему функционировать или, наоборот, заставлять его работать. Однако стоит понимать, что это пока только отдаленные перспективы нашего исследования», — подводит итог Александр Ломзов.