Эмбрион копирует ДНК медленно
…но только пока он состоит из пары клеток – на восьмиклеточной стадии он копирует свою ДНК по-взрослому быстро.
Перед делением клетка должна удвоить – реплицировать – свою ДНК, чтобы каждой из двух дочерних клеток досталось по копии. ДНК же, как мы помним, это закрученная двунитевая молекула: две цепочки дезоксирибонуклеиновой кислоты соединены комплементарными связями и образуют довольно прочную двойную спираль. При репликации каждая из цепей служит шаблоном для синтеза новой цепи ДНК (то есть в каждой новой спирали одна цепочка будет старая, а вторая – вновь синтезированная). То есть чтобы начать удвоение ДНК, нужно её спираль распрямить и оторвать одну цепочку от другой.
Всё так и происходит – цепочки в определённом месте расходятся, и образуется так называемая репликационная вилка; всё происходит с помощью целого комплекса белков. Расхождение между цепями старой ДНК всё увеличивается и увеличивается, ведь обратно нити не схлопываются, они становятся частью новых ДНК. На старой ДНК получается нечто вроде глаза, или пузыря – эту структуру так и называют репликационным пузырём. Место, с которого начинается репликация, называется ori, от origin of replication – «точка начала репликации».
Но представим теперь человеческие хромосомы – огромные молекулы ДНК длиной от примерно 40 млн пар нуклеотидов (то есть генетических букв) до 250 млн пар. (Строго говоря, хромосомы – это не только ДНК, но ещё и масса белков, которые с ними более-менее постоянно связаны, но такие подробности нам сейчас ни к чему.) Не стоит думать, что для копирования всех этих миллионов букв достаточно одного-единственного старта, одной-единственной ori. По хромосомам рассыпано множество ori – каждая хромосома копируется сразу из нескольких мест несколькими кусками, которые потом сшиваются в дочернюю молекулу ДНК (в две дочерние молекулы).
При этом некоторые точки старта включаются чуть раньше других, а другие – чуть раньше третьих, и т. д. Это связано с особенностями организации хромосом в ядре: разные их участки по-разному взаимодействуют с белками, по-разному расположены относительно ядерной мембраны и т. д. Хромосомную ДНК можно поделить на репликационно-временные отделы (домены) – некоторые домены будут обгонять другие домены. Из-за одинаковой скорости репликации разница во времени между ними не будет увеличиваться, то есть участок, который начал реплицироваться позже, не начнёт отставать всё сильнее и сильнее, потому что удваивается он с такой же скоростью, что и тот, который начал удваиваться раньше. Так происходит во всех клетках, за исключением, как выяснили сотрудники японского Института физико-химических исследований (RIKEN), эмбриональных клеток. Они экспериментировали с мышиными эмбрионами на самых-самых ранних стадиях развития, когда эмбрион выполняет первые деления ещё имплантации в стенку матки. В статье в Nature говорится, что пока зародыш состоит из одной или двух клеток, никаких репликационно-временных доменов в его ДНК нет. Его ДНК начинает одновременно удваиваться во многих точках, только делает это намного медленнее, чем во взрослых клетках. Полностью «взрослая» репликация начинается со стадии восьми клеток, когда есть и временны́е различия в стартах, и высокая скорость репликации.
А вот стадия четырёх клеток в этом смысле представляет собой нечто среднее. В четырёхклеточном зародыше репликационно-временные домены уже есть, то есть где-то репликация запускается пораньше, где-то попозже; но скорость удвоения ДНК остаётся по-прежнему очень небольшой. И именно на стадии четырёх клеток в ДНК эмбриона появляется много дефектов – намного больше, чем в одно- и двухклеточной стадии и чем в восьми- и шестнадцатиклеточной.
Дефекты случаются преимущественно в тех участках ДНК, которые начинают реплицироваться позже, и заметную их часть составляют ДНК-разрывы. Если у зародышевых клеток искусственно повышали скорость репликации, то нарушений становилось меньше. Всё выглядит так, как если бы ДНК, примыкающая к поздним участкам (поздним репликативным пузырям), не успевала реплицироваться – клетка начинала деление, и эти участки начинали просто рваться. На стадиях одной и двух клеток на репликацию по внутриклеточному расписанию отведено много времени и даже при небольшой скорости работы вся ДНК успевает удвоиться до того, как начинается собственно деление. На стадии четырёх клеток время, отведённое на репликацию, уменьшается, хотя скорость репликации ещё не успела увеличиться. Поэтому искусственное ускорение помогает избежать дефектов – репликативные машины успевали уложиться в урезанные сроки.
У клеток есть ремонтные инструменты, позволяющие вовремя исправлять повреждения, но всё же чем их больше, тем больше вероятность, что какие-то из них останутся неисправленными. Дефекты могут привести к хромосомным аномалиям: новые хромосомы не смогут правильно разойтись при клеточном делении, в одних клетках их станет больше, чем нужно, в других меньше, чем нужно, и всё это чревато серьёзными пороками развития.
Однако тут нужно помнить, что, во-первых, исследователи пока увидели лишь некий молекулярный феномен, имеющий место в четырёхклеточном зародыше. Почему так случается, что там происходят за столкновения белков и нуклеиновых кислот, почему рвутся цепи ДНК – всё это предстоит ещё выяснять.
Во-вторых, нужно проверить, действительно ли описанные молекулярные аномалии на стадии четырёх клеток повышают вероятность аномалий развития. В-третьих, зародыши в опытах были исключительно мышиные, и хотя речь идёт о фундаментальных процессах, всё-таки нужно проверить, что происходит у других видов зверей. (С другой стороны, из более ранних исследований известно, что у человеческого эмбриона подобных дефектов в ДНК появляется больше, чем у мышиного.)
Если же окажется, что нечто подобное в смысле механизма происходит у всех млекопитающих, и это в самом деле повышает вероятность клинических аномалий, тогда можно подумать о том, как помочь четырёхклеточному эмбриону избежать тех ДНК-дефектов, к которым он почему-то склонен.
