Фермент ревертаза: його значення в біології

У 70-х роках минулого століття був відкритий фермент з важковимовною назвою – РНК-направлена-ДНК-полімераза. Вже по самій його назві видно, що тут замішані і ДНК, і РНК – обидва головних героя спадковості живих істот на нашій планеті. Нагадаємо, що ДНК — речовина спадковості, яке зберігає в собі запис генетичної інформації, а РНК — речовина-посередник: за її допомогою генетична інформація прочитується і використовується в клітинах живого організму.

Властивості знову відкритого ферменту виявилися воістину вражаючими: він у зворотному напрямку (!) здійснював синтез на одному з етапів розгортання спадкової інформації. (До речі, звідси більш прості назви ферменту: зворотна транскриптаза, або ревертаза.)

Фермент керував синтезом ДНК за шаблоном РНК, так би мовити, «зворотним синтезом» — про нього вчені перш лише підозрювали, і він обіцяє стати новою фарбою на картині наших уявлень про життя.

Ймовірно, читачеві-неспеціалісту з короткого викладу справи нелегко скласти собі уявлення про те, яка незвичайна таємниця природи відкрилася тут біологам. Тому зробимо невеликий екскурс в область генетики.

В наші дні стало вже звичним твердження, що батьки передають у спадок своїм нащадкам інформацію у вигляді генетичних програм розвитку і життєдіяльності, зашифрованих в тонких нитках ДНК, які ретельно упаковані в глибині хромосом. Припустимо, що це твердження тепер не тільки звичне, але і більш-менш зрозуміле. Тоді питання: що ж передається в спадкових програмах, яка інформація? Чи є в ній, наприклад, ген росту і чи записано в ньому прямо, що нащадок, якому передається цей ген, повинен мати зріст обов’язково 160 або 180 сантиметрів? Ні.

У спадкових програмах міститься інформація тільки про те, які білки предок передає своєму нащадку. І вже цими, так би мовити, білковими нитками вишивається багатий і розмаїтий візерунок життя.

Спадкова програма, яку нащадок отримує у самих витоків свого життя,— лише сукупна інформація про набор з десятків тисяч білків, яким судилося втілити майбутнє життя, і про індивідуальні властивості цих білків. А ще — тисячі програм, що вказують, коли, в який саме момент життя організму, на якому етапі його розвитку повинен проводитися той чи інший сорт білкових молекул. Кожна з цих програм, теж записаних на нитках ДНК, включається і працює знову-таки за допомогою різних спеціальних білків.

Тепер друге питання: як спадкова програма реалізується? Як запис на нитках ДНК розшифровується і перетворюється в складну білкову молекулу, химерно вигнуту у просторі?

Схема синтезу така: ДНК-РНК-білок

Спадкова програма записана на нитках ДНК сотнями тисяч або навіть мільйонами генів. Ген – це ділянка нитки ДНК, що має цілісний зміст, він подібний, наприклад, окремому слову у фразі.

А тепер уявіть собі досить просту схему синтезу, хоча, звичайно, вона дуже складно реалізується в житті клітини. Візьмемо для прикладу ген глобіну – білка, що входить до складу еритроцитів крові, де він (приєднавши до своєї молекули атом заліза і ставши гемоглобіном) транспортує кисень з легенів в різні куточки організму.

Починається процес синтезу. Група білків-ферментів вибудовує уздовж гена глобіна другу паралельну ниточку: копію гена (матеріалом для неї служить РНК). Потім за допомогою інших ферментів ниточка РНК від’єднується від ДНК, переноситься до місця синтезу, де ще одна група ферментів будує вздовж неї молекулу білка.

Словом, у нашій свідомості проста схема — ДНК—РНК—БІЛОК — має обрости тепер цілою плеядою ферментів, адже саме вони виконують всі операції синтезу, а роль ДНК і РНК виключно проста: вони містять у собі інформацію для синтезу. Містять — і нічого більше.

І, нарешті, ще одне зауваження. Протягом останніх двадцяти років — в епоху розквіту молекулярної біології і генетики — у науці утвердилася догма, згідно з якою в процесі синтезу інформація може передаватися тільки в одному напрямку, зліва направо:

ДНК>РНК>БІЛОК

Отримавши назву центральної догми сучасної молекулярної біології, ця формула сповнена глибокого сенсу. Вона чітко і просто показує схему організації найбільш фундаментальних, найбільш основоположних процесів в живій матерії. А тепер повернімося до ревертази.

Відкриття цього ферменту змінило ліву частину рівняння:

ДНК=РНК>БІЛОК

Так, виявилося, що в деяких випадках в живій клітині раптово починає діяти зовсім несподіваний фактор — ревертаза, що задає зворотний хід подій на першому етапі синтезу. Ревертаза раптом включається і за моделлю РНК починає будувати відрізок ДНК: той саме ген, з якого був скопійований цей шматочок РНК.

Повторюю ще раз: РНК — копія ДНК. За цією копією ревертаза відтворює зворотну копію, тобто сам ген.

Уявіть собі, наприклад, унікальну фотографію, яку потрібно розмножити. Що тоді роблять? Її перезнімають на негатив і з нього друкують потрібне число копій. Так от процес переходу від фотографії до негативу — це найкраща паралель до дії ревертази.

Воістину тепер відкрилася дивовижна таємниця природи; хоча про неї знали й раніше (про це — трохи нижче).

Ревертаза була знайдена у РНК-вмісних вірусів — ці віруси виняток у світі Живого, свого роду монстри: у них спадкова інформація записана на нитках РНК, а не ДНК, як у всіх інших живих істот та організмів.

Ці монстри не просто були допитливим винятком з академічного зводу правил, вони вже давно поставили перед дослідниками ряд непояснених загадок. Головною з них була така: вплив РНК вірусу на ДНК тієї клітини, в яку цей вірус впроваджувався.

Спробуємо відштовхнутися, так би мовити, від противного. ДНК-вірус вражає клітину і перебудовує роботу її генетичного апарату — це, здавалося б, зрозуміло: одна ДНК іншого рівня, хоч вони і належать різним системам. Ну, а як же міг діяти РНК-вірус? Раніше це було неясно, тепер ревертаза пояснює як: за допомогою «зворотного синтезу».

РНК-віруси — в яких знайдена ревертаза, – опухолеродні, вони пов’язані з переродженням здорових клітин в ракові.

Так що ж, дія ревертази — це вузько-локальний, специфічний процес, до того ж пов’язаний, до нещастя, з таким трагічним явищем, як злоякісні пухлини? Чи був правий один з авторів, який писав про відкриття ревертази: «можливо, центральна догма порушена не тільки у вірусів РНК-типу. Це була б воістину кішка серед голубів».

Ні, картина ніби інша. Генетик С. Гершензон виявив процес “зворотного синтезу” при вторгненні в клітину вірусів ДНК-типу. Є підстава вважати, що у ряду пухлинних ДНК-вірусів ревертаза повинна бути знайдена. Нарешті, є свідчення того, що ревертазну активність при деяких, ще нез’ясованих умовах можуть проявляти і “нормальні” ферменти, завдання яких в звичайних обставинах – зшивати нитку нуклеїнової кислоти з окремих блоків.

І складається враження, що ревертазна активність і «зворотний синтез» — явище, досить поширене в живих системах, і що дослідники зіткнулися тут з новою і дійсно фундаментально важливою властивістю в організації живої матерії.

Навіщо ж ДНК-вірусам може знадобитися ревертаза? Адже, повторюю, одна ДНК іншій ДНК – рівня. На цей рахунок висунута витончена гіпотеза. Проникнувши в клітину, вірус прагне налагодити відтворення самого себе в тисячах копій — такий єдиний сенс його існування. Але як йому це зробити? Для виробництва копій йому потрібен набір з десятків ферментів. Гени цих ферментів групами розкидані по різних хромосомах клітини. Значить, вірусу належить перебудовувати роботу генетичного апарату клітини в багатьох і різних місцях. Так, але у вірусу-то всього одна ниточка, що несе спадкову інформацію, її не вистачить, щоб вторгнутися в хромосоми клітини відразу в багатьох місцях. Ось тут-то і тут зерно гіпотези! — спрацьовує ревертаза, запускаючи «зворотний синтез». Вірус — через процес «зворотного синтезу» — виробляє стільки копій, щоб впровадитися в хромосоми всюди, де це потрібно. Втім, це лише гіпотеза.

Так, і взагалі потрібно сказати, що дуже багато, пов’язане з ревертазою, зараз ще не ясно. Як і чому вона починає діяти? Чи властива вона всім клітинам і організмам без винятку? Або тільки деяким з них? Яким? Чому? Яка роль покладена на неї в організації живої матерії? Чи не є це релікт – пережиток давніх часів у розвитку життя? Як міг діяти механізм «зворотного синтезу» на різних щаблях еволюції? На ці питання і на безліч інших поки ще немає відповіді! Однак вже і тепер ясно: ревертаза відкриває перед наукою великі перспективи, намічає привабливі шляхи дослідження. Коротко назвемо лише деякі з цих напрямків.

Пізнання природи раку. Нові методи його лікування.

Ревертаза була знайдена в пухлинних вірусах (і це стало важливим підтвердженням вірусогенетичної теорії раку). Особливості дії ревертази дозволяють сподіватися на те, що вона в тій чи іншій формі допоможе вивчити поки ще вкрай неясний процес генетичного зламу клітини: як вона втрачає свою індивідуальність, задається генетичною програмою, і перероджується в ракову клітину.

Будова гена. Будова хромосоми.

Наука, по суті, досі не мала інструменту для прямого дослідження генетичних структур. Все, чим вона володіла, – це були непрямі методи: наприклад, оцінка результатів, які досягалися при схрещуванні організмів з різними спадковими властивостями.

Та й як було підступитися прямо до гену – до цієї крихітки, до цієї нікчемної частинки нитки ДНК, яка і сама-то майже зникаюче невидима навіть в кращих електронних мікроскопах зі збільшенням в сотні тисяч разів!

І ось тепер такий шлях відкривається. Можна взяти інформаційну молекулу РНК, про яку точно відомо, що вона задає синтез такого-то білка. І, пустивши в хід ревертазу, по цій молекулі РНК синтезувати ген цікавого нас білка, щоб потім досліджувати його доступними науці способами: фізичними, хімічними, генетичними.

Походження життя

Немає життя без білка — без нього, точніше, без набору різноманітних білків не йде ні один процес життєдіяльності на будь-якій стадії розвитку життя.

Але немає життя і без нуклеїнових кислот — без них, за сучасними поглядами, відсутня спадкоємність в розвитку живої матерії. Як без них передаватиметься спадкова інформація? І, значить, без нуклеїнових кислот життя довелося б раз за разом починати на голому місці і раз за разом кінчати свою справу після першого ж етапу розвитку: далі ходу немає, бо немає наступності.

Як виникла ця складна — двоєдина система? На це питання у науки поки немає ще скільки-небудь ясної відповіді. Експерименти з ревертазою, можливо, зменшать заплутаність цієї проблеми.

Особливу складність проблемі надає те, що формула, що викликає стільки труднощів і суперечок, адже навіть не подвійна, а триєдина: крім білка, в ній присутні два види нуклеїнових кислот — хоча і схожих, але все-таки різних і, головне, з різними функціональними завданнями. Може бути, ревертаза перекине місток між ДНК і РНК, дозволить спростити і з’ясувати їхні стосунки, визначити їх роль на ранніх етапах виникнення живої матерії?

Досить, мабуть, і цих трьох напрямів, хоча, крім них, відкриваються й інші: наприклад, нові можливості у вивченні еволюції живих організмів, в дослідженні ембріогенезу, де «зворотний синтез», можливо, допомагає напрацьовувати масу генетичного матеріалу, щоб забезпечити прискорений розвиток організму; нарешті, в проясненні загадки міжклітинного спілкування і взаємного уподібнення клітин, що складають однорідну тканину в організмі.

Автор: Л. Кисельов.