Исследователи из Франции и Испании разработали компьютерную модель, позволяющую изучить механизмы, управляющие эволюцией гуанин-цитозин кодирующих регионов, и обнаружили, что некоторые самопроизвольные мутации наиболее вероятно появляются не определенных участках ДНК.
Известно, что равновесие между геномными парами гуанин-цитозин (ГЦ) и аденин-тимин (AT) смещено в сторону большей благоприятности накопления пар AТ. Предполагается, что за мутационный сдвиг ГЦ→АТ могут отвечать редкие таутомеры (Г*Ц*), образующиеся после самопроизвольного двухпротонного обмена между основаниями.
Хосе Педро Серон-Карраско (José Pedro Cerón-Carrasco) из Университета Мурции (Испания) и Дени Жакеми (Denis Jacquemin) из Университета Нанта (Франция) скомбинировали два расчетных метода для моделирования влияния генетической последовательности на самопроизвольные мутации ГЦ→Г*Ц*. Использованная для расчетов модель представляла собой пару ГЦ, расположенную в середине тримера ДНК, по обе стороны от пары ГЦ были расположены любые потенциально возможные комбинации азотистых оснований. Также модель была расширена за счет добавления молекул воды в середину пары ГЦ – это позволяло имитировать клеточную водную среду, а также изучить каталитическое влияние воды на реакции переноса протонов, приводящие к образованию пар Г*Ц*.
Серон-Карраско поясняет, что в отсутствие эффективного внешнего влияния только вопрос времени, когда самопроизвольные процессы (а эволюция никуда не торопится) приведут к тому, что генетический код полностью превратиться в последовательность AT, так называемой АТ-катастрофе. Положение равновесия между содержанием АТ и ГЦ пар зависит от эффективности процессов репарации, протекающих в клетке. Эта информация важна не только для лучшего понимания процессов эволюции, но и для оптимизации компьютерных алгоритмов, моделирующих эволюции.
Компьютерная модель, представленная тремя парами азотистых оснований имитировала расположение водородных связей, возникающих между соседними основаниями, находящимися на противолежащих цепях ДНК, а также π–π-стекинг взаимодействий, возникающих между азотистыми основаниями, расположенными на одной нити ДНК.
На использованной модели удалось предсказать таутомерные мутации, индуцированные средней парой азотистых оснований ГЦ. Изучение того, как последовательность ДНК влияет на мутации ГЦ→Г*Ц*, показало, что таутомерная мутация с большей вероятностью может происходить на участках молекулы ДНК, богатых парами ГЦ, в особенности – в области последовательности ГГГ, в которых перегруппировки молекул воды увеличивают стабильность мутировавшей пары оснований. На этих же участках наиболее вероятна мутация ГЦ→АТ.
Генри Шефер (Henry Schaefer), директор центра квантовой химии Университета Джорджии считает, что результаты исследования представляют собой яркий пример возрастающей роли компьютерной химии в решении важных задач биохимии.
Серон-Карраско и Жакеми планируют разработать еще более реалистичную модель эволюции ДНК. Они уже начали моделирование более длинных участков ДНК, упакованных вокруг восьми белков-гистонов и надеются, что дальнейшие расчеты смогут подтвердить роль таутомерных превращений азотистых оснований в устойчивости ДНК.