Работа РНК-синтезирующих белков у бактерий сопряжена с опасностью повреждения ДНК. Рибосомы, конечно, защищают гены от таких неурядиц, но антибиотики ослабляют рибосомный контроль; в итоге количество повреждений и мутаций в ДНК возрастает, что даёт материал для выработки устойчивости к лекарству.

Нуклеиновые кислоты, в которых живые клетки хранят генетическую информацию, можно сравнить с рельсами, по которым ездят огромные белковые машины. Этими белковыми агрегатами могут быть

а) реплисомы, синтезирующие копию ДНК перед делением клетки,

б) РНК-полимеразный комплексом (транскриптосома), задача которого — синтезировать матричную РНК для собственно белкового синтеза,

в) рибосомы, как раз едущие по «монорельсу» из матричной РНК и синтезирующие белковую молекулу в соответствии с кодом, записанным в РНК-матрице.

Рис. 1. Схема молекулярно-генетических процессов в живой клетке: сверху вниз — репликация ДНК, транскрипция (синтез мРНК на молекуле ДНК), трансляция (синтез белка на молекуле мРНК) (рисунок Art for Science).

В бактериальной клетке все эти процессы могут осуществляться в непосредственной близости друг от друга: следом за РНК-полимеразой по ДНК едет реплисома, подготавливая клетку к делению, а на выходящую из-под РНК-полимеразы цепь матричной РНК садятся белок-синтезирующие рибосомы.

Перечисленные молекулярные агрегаты отличаются высокой сложностью и большими размерами, и их столкновение вполне можно сравнить с железнодорожным крушением с участием двух поездов. При этом для самогó «дорожного полотна», то бишь для нуклеиновых молекул, такие аварии бесследно не проходят. Что при этом творится, давно интересует учёных; считается, что повреждения, происходящие при таких молекулярных авариях, могут быть причиной многих неприятных мутаций.

Исследователи из Нью-Йоркского университета предприняли попытку оценить последствия столкновения реплисомы и РНК-полимеразы у бактерий.

Им удалось создать экспериментальную систему, позволяющую наблюдать за перемещениями обеих молекулярных машин в живой клетке. Реплисома работает быстрее, чем РНК-полимераза, и обычно первой не составляет труда нагнать вторую. Столкновение чревато повреждениями в ДНК, вплоть до разрыва в обеих цепях молекулы. Но происходит это лишь тогда, когда идущая впереди медленная РНК-полимераза вдруг сдаёт назад. Такое свойство есть у всех РНК-полимераз, от бактерий до человека. Движущаяся сзади реплисома вполне может «притормозить» и какое-то время следовать за РНК-полимеразным комплексом, но если РНК-полимераза, как неумелый водитель, перепутает педали и сдаст назад, то беды уже не избежать.

В том, что бактериальная ДНК не превратилась в результате таких столкновений в клочья, заслуга рибосом. Рибосомы садятся на синтезируемую РНК-полимеразой матричную РНК и идут следом за полимеразой, пресекая её попытки шагнуть назад. (В эукариотических клетках эту функции берут на себя различные факторы транскрипции.)

Но, как пишут авторы исследования в журнале Cell, бактерии могли обратить такую странную любовь РНК-полимеразы к отступлениям себе на пользу. Рибосомы одними из первых реагируют на стрессовые условия — например, на присутствие антибиотика (не говоря уже о том, что большинство синтетических антибиотиков направлено на реакцию синтеза белка на мРНК). Рибосомы перестают выполнять свои функции, и РНК-полимераза получает возможность прыгать назад, сталкиваясь с реплисомой.

В результате ДНК наносятся множественные повреждения, которые привлекают ещё один класс молекулярных машин, занимающихся ДНК-репарацией — ремонтом повреждённой ДНК. Но репарация осуществляется не со стопроцентной точностью: заделывая разрыв в молекуле, репарирующие ферменты могут вставить или вырезать какой-нибудь нуклеотид, то есть вызвать точечную мутацию. И вот как раз такие мутации служат материалом для отбора в стрессовых условиях. В ответ на присутствие антибиотика в бактерии резко повышается количество мутаций, и некоторые из них могут помочь в выработке устойчивости к очередному лекарству.

Если смотреть со стороны, это можно сравнить с тем, как сумасшедший инженер начинает нажимать на все кнопки разваливающегося механизма, надеясь «угадать». Несмотря на кажущуюся нелепость такого поведения, о его эффективности можно расспросить тех, кто занимается созданием новых антибиотиков и антибактериальных препаратов, взамен прежних, устаревших.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Dipak Dutta, Konstantin Shatalin, Vitaly Epshtein, Max E. Gottesman, Evgeny Nudler Linking RNA Polymerase Backtracking to Genome Instability in E. coli. – Cell. – V.146. – Issue 4. – P. 533–543; 19 August 2011; DOI: 10.1016/j.cell.2011.07.034.