За последние 60 лет ученые смогли проследить, как и когда происходит репликация генетической информации, установив существование «временной программы репликации» — процесса, контролирующего, когда и в каком порядке происходит репликация сегментов ДНК. Однако ученые до сих пор не могут объяснить, почему существует такая специфическая временная последовательность. В исследовании, опубликованном 23 апреля 2021 года в журнале Science, доктор Дэвид Гилберт и его сотрудники ответили на этот вопрос 60-летней давности.
Доктор Дэвид Гилберт, ведущий научный сотрудник. Кредит: Дэвид Гилберт
«Почему клетки должны заботиться о порядке репликации ДНК?» — спрашивает ведущий научный сотрудник доктор Гилберт. «В конце концов, все клетки должны реплицировать всю свою ДНК. Наша гипотеза заключалась в том, что реплицируется не только ДНК, но и все регуляторные молекулы, которые считывают ДНК». Доктор Гилберт также предположил, что за программой и процессом определения времени репликации может стоять определенная цель, поскольку «мать-природа не упустит такую возможность контролировать процесс считывания ДНК».
«Время репликации — идеальный момент для выбора: сохранить все регуляторные факторы и продолжать ту же функциональную интерпретацию информации в ДНК или изменить ее, чтобы вызвать новые функции», — поясняет д-р Гилберт.
За последние 13 лет д-р Гилберт и его сотрудники показали, что каждый тип клеток имеет уникальную программу синхронизации репликации, а больные клетки характеризуются различными изменениями в этой программе. В данном исследовании доктор Гилберт и его сотрудники изучали, как изменения в программе синхронизации репликации влияют на упаковку ДНК с ее регуляторными факторами, известными под общим названием эпигеном. Эпигеном — это регуляторные факторы, которые, как считается, контролируют «идентичность» клетки и функции, которые она будет выполнять.
Пейяо А. Чжао, ведущий автор работы. Credit: Peiyao A. Zhao
Устранив белок RIF1, который помогает регулировать репликацию ДНК, они обнаружили, что программа репликации сильно, а иногда и почти полностью исчезает, так что все сегменты хромосом реплицируются в разное время в разных клетках. В отсутствие RIF1, если клетки были лишены возможности реплицировать ДНК, их эпигеном был в порядке. Однако как только ДНК начинала реплицироваться, регуляторные молекулы, ассоциированные с ДНК, включались в нее неправильно и ухудшали свое состояние с каждым раундом репликации ДНК. В конце концов изменилась и трехмерная структура хромосом.
Д-р Гилберт предполагает, что при нарушении эпигенома в результате изменения программы синхронизации репликации клетки могут перестать выполнять свои нормальные функции или выполнять неадекватные функции. Эти несоответствующие функции могут оказывать большое и негативное влияние на здоровье человека.
«Мы и другие исследователи ранее показали, что эта программа изменяется при многих заболеваниях», — говорит д-р Гилберт. «Недавно наша лаборатория показала специфические закономерности изменения времени, которые были статистически связаны с плохим исходом при детской лейкемии, а в другом исследовании — с болезнями преждевременного старения».
Кайл Н. Клейн. Кредит: Кайл Н. Клейн
Таким образом, программа определения времени репликации открывает совершенно новый жанр молекулярных путей и биомаркеров, которые приводят к возникновению и идентификации болезненных состояний. Это может привести к более ранней диагностике и более точному прогнозу для пациентов.
Хотя работа д-ра Гилберта дала ответ на один важный вопрос, он не планирует останавливаться на достигнутом. «Мы считаем, что эпигеном… необходим не только для того, чтобы клетка сохраняла свою идентичность, но и для того, чтобы она могла превращаться в другие типы клеток».
Проверка этой гипотезы имеет огромное значение для исследований стволовых клеток и их терапевтического применения. В настоящее время доктор Гилберт использует стволовые клетки человека, чтобы проверить, как нарушение сроков репликации влияет на развитие этих клеток в клетки печени, сердца и нейроны. Результаты этого исследования позволят в будущем получить ценную информацию для изучения здоровья и заболеваний человека.
Ссылка: «Replication timing maintain the global epigenetic state in human cells» by Kyle N. Klein, Peiyao A. Zhao, Xiaowen Lyu, Takayo Sasaki, Daniel A. Bartlett, Amar M. Singh, Ipek Tasan, Meng Zhang, Lotte P. Watts, Shin-ichiro Hiraga, Toyoaki Natsume, Xuemeng Zhou, Timour Baslan, Danny Leung, Masato T. Kanemaki, Anne D. Donaldson, Huimin Zhao, Stephen Dalton, Victor G. Corces and David M. Gilbert, 23 апреля 2021 г., Science . DOI: 10.1126/science.aba5545
Данное исследование опубликовано в номере журнала Science от 23 апреля 2021 года, издаваемом AAAS, научным обществом, крупнейшей в мире научной организацией.
Подробнее на SciTechDaily
Рудиментарная форма жизни обходит стороной обычные процессы репликации
Что движет людьми? Массачусетский технологический институт внедряет поведенческие науки в городской транспорт
Ученые используют ритм репликации ДНК для уничтожения раковых клеток
Белок Cdt1 играет роль в репликации ДНК и митозе
Усовершенствованная крио-ЭМ раскрывает структуру комплекса репликации вирусной РНК в «судьбоносных» деталях
Исследователи используют биоинформатику и эпигенетику для помощи в изучении рака
Новый поворот в ДНК-оригами: Структуры мета-ДНК преобразуют мир ДНК-нанотехнологий
Ученые из Корнелла раскрыли тайну репликации ДНК
2 Комментарии для «Разгадана 60-летняя научная загадка репликации ДНК»
Babu G. Ranganathan | April 27, 2021 at 7:35 am | Reply
Babu G. Ranganathan* (B.A. Bible/Biology)
КАК ДНК ПРЕВРАЩАЕТ КЛЕТКУ В ОВЦУ, ИЛИ ПТИЦУ, ИЛИ ЧЕЛОВЕКА?
Когда вы делите торт, он никогда не становится больше. Однако когда мы были всего лишь одной клеткой и эта клетка продолжала делиться, мы становились больше. Откуда-то должен был взяться новый материал. Этот новый материал был получен из пищи.
Как последовательность различных букв и слов в человеческом языке передает сообщение и направляет рабочих на строительство и сборку чего-либо, так и последовательность различных молекул в нашей ДНК (наши гены или генетический код) направляет молекулы из пищи нашей матери, которую мы получали в утробе матери, на создание новых клеток, в конечном итоге формирующих все ткани и органы нашего тела.
Когда вы кормите кошку своей пищей, ДНК кошки направляет молекулы пищи на превращение в клетки, ткани и органы кошки, а ваша ДНК превращает ту же пищу в клетки, ткани и органы человека.
То, что мы называем «генами», на самом деле является сегментами молекулы ДНК. Когда вы поймете, как работает ваша ДНК, вы также поймете, как яичные желтки могут превращаться в цыплят. Читайте мою популярную статью в Интернете: КАК МОЯ ДНК СОЗДАЛА МЕНЯ? Чтобы перейти к статье, просто наберите в Google ее название.
Из этой статьи вы узнаете о том, как устроена ДНК, а также о клонировании и генной инженерии. Вы также узнаете, что так называемая «нежелательная ДНК» вовсе не является нежелательной. Вы узнаете, почему нерационально считать, что код ДНК мог возникнуть случайно. Наука указывает (не доказывает, а именно указывает) на разумную причину возникновения кода ДНК.
А как же генетическое и биологическое сходство между видами? Генетическая информация, как и другие формы информации, не может возникнуть случайно, поэтому логичнее считать, что генетическое и биологическое сходство между всеми формами жизни обусловлено общим Дизайнером, который создал сходные функции для сходных целей. Это не означает, что все формы жизни биологически родственны! Только генетическое сходство в пределах естественного вида доказывает родство, поскольку только в пределах естественного вида его представители могут скрещиваться и размножаться.
Природа не может создать код ДНК с нуля. Для этого необходимо, чтобы уже существующий код ДНК был направлен и привел к появлению нового кода ДНК, либо чтобы генетический инженер в лаборатории, используя разумный замысел и сложнейшие технологии, создал код ДНК с нуля. Кроме того, РНК/ДНК и белки взаимозависимы (одно не может появиться без двух других) и не могут «выжить» или функционировать вне полноценной живой клетки. Код ДНК обязан своим существованием первому генному инженеру — Богу!
Молекулы белка требуют, чтобы различные аминокислоты соединялись в точной последовательности, как буквы в предложении. Если они расположены не в той последовательности, то белок не будет функционировать. ДНК и РНК требуют, чтобы различные нуклеиновые кислоты располагались в правильной последовательности.
Кроме того, существуют левосторонние и правосторонние аминокислоты, а также левосторонние и правосторонние нуклеиновые кислоты. Для белковых молекул необходимо, чтобы все их аминокислоты были только левыми и располагались в правильной последовательности. Для ДНК и РНК необходимо, чтобы все их нуклеиновые кислоты были правосторонними и располагались в правильной последовательности. Для того чтобы ДНК, РНК и белки возникли случайно, необходимо чудо!
Математики утверждают, что любое событие во Вселенной с коэффициентом 10 к 50-й степени или выше невозможно! Вероятность случайного возникновения белковой молекулы среднего размера (с аминокислотами в нужной последовательности) равна 10 в 65-й степени. Даже самая простая клетка состоит из многих миллионов различных белковых молекул, а также ДНК/РНК.
Покойный великий британский ученый сэр Фредерик Хойл подсчитал, что вероятность случайного появления даже простейшей клетки равна 10 в 40 000-й степени! Насколько это большая величина? Подумайте, что общее число атомов в нашей Вселенной равно 10 в 82-й степени.
Кроме того, так называемая «нежелательная ДНК» не является нежелательной. Хотя эти «некодирующие» сегменты ДНК не кодируют белки, недавно было установлено, что они играют важную роль в регуляции экспрессии генов (т.е. когда, где и как экспрессируются гены, поэтому они не являются «мусором»). Кроме того, есть свидетельства того, что в определенных ситуациях они могут кодировать белки благодаря использованию клеткой сложного механизма «считывания».
Посетите мой последний сайт в Интернете: THE SCIENCE SUPPORTING CREATION (Этот сайт отвечает на многие старые и новые аргументы, используемые эволюционистами для поддержки своей теории).
Автор популярной Интернет-статьи «ТРАДИЦИОННАЯ ДОКТРИНА АДА ИЗВЛЕЧЕНА ИЗ ГРЕЧЕСКИХ КОРНЕЙ» (TRADITIONAL DOCTRINE OF HELL EVOLVED FROM GREEK ROOTS)
*Я успешно выступал с лекциями (с последующими вопросами и ответами) в защиту творения перед преподавателями и студентами эволюционистских факультетов в различных колледжах и университетах. Я удостоился чести быть отмеченным в 24-м издании Маркиза «Кто есть кто на Востоке».
