Дезоксирибозимы

В отличие от РНК, выполняющих в клетке разнообразные функции, благодаря возможностям формирования у этих макромолекул сложных пространственных структур, для внутриклеточных ДНК пока известна единственная функция – пассивное хранение генетической информации. Отчетливо различающиеся биохимические функции биополимеров этих двух видов объясняют исключительно особенностями их химического состава. Отсутствие у ДНК в 2'-положении рибозы гидроксильной группы делает ее более устойчивой к расщеплению in vivo, а следовательно, более приемлемым, чем РНК, носителем генетической информации. Наличие же у РНК 2'-OH-группы, напротив, является предпосылкой ее структурной и функциональной сложности.

Несмотря на прогноз о большой каталитической инертности ДНК, в течение последних пяти лет ферментативная активность была обнаружена и у ее молекул, правда пока только в искусственных условиях. Молекулы ДНК, обладающие ферментативной активностью, получили название дезоксирибозимов. К настоящему времени описана способность дезоксирибозимов расщеплять, лигировать и фосфорилировать молекулы ДНК, метилировать порфирины или осуществлять гидролиз РНК. Получены дезоксирибозимы с активностями РНКазы, которые используют в качестве кофакторов аминокислоты, ионы металлов, а также не требуют кофакторов вообще. При этом Mg²⁺-зависимые дезоксирибозимы расщепляют РНК со скоростью, сопоставимой с таковой природных рибозимов (k _кат= 10 мин^-1).

Поиск молекул ДНК, обладающих определенными ферментативными активностями, как правило, осуществляется с применением скрининга пула молекул со случайной первичной структурой. Результативность таких исследований во многом зависит от эффективности системы скрининга. Так, при отборе дезоксирибозимов с полинуклеотидкиназной активностью И. Ли и Р.Р. Брикер (1999 г.) использовали пул из 10¹⁵ различных молекул синтетических одноцепочечных ДНК длиной в 100 нуклеотидов со случайной 70-нуклеотидной последовательностью в центральной части. Из пула отбирали молекулы, способные фосфорилировать свой 5'-конец в присутствии различных рибо- или дезоксирибонуклеозидтрифосфатов. Наличие 5'-концевого фосфата обнаруживали по приобретению олигонуклеотидами способности участвовать в реакции лигирования с акцепторным олигонуклеотидом на одноцепочечной матрице, стыкующей их концы, поскольку только фосфорилированные молекулы ДНК могли лигироваться с акцепторной ДНК. Молекулы ДНК, длина которых увеличивалась в результате лигирования, очищали электрофорезом, амплифицировали и использовали в новых раундах скрининга. В итоге из смеси молекул ДНК были выделены олигонуклеотиды, фосфорилирующие свой 5'-концевой нуклеотид с использованием γ -фосфатной группы рибо- и дезоксирибонуклеотидов. Некоторые олигонуклеотиды оказались высокоспецифичными в отношении доноров фосфатных групп и работали только в присутствии конкретных нуклеотидов, тогда как другие были неразборчивы в отношении индивидуальных донорных нуклеотидов. Более того, структурные исследования показали, что полученные молекулы ДНК обладают достаточной сложностью, чтобы делать выбор между различными молекулами субстратов, кофакторов и эффекторов.

На основании такого рода данных были сделаны выводы, что молекулы ДНК, как и РНК, способны формировать различные третичные структуры, необходимые для осуществления химического катализа. В будущем они могут быть использованы для конструирования различных дезоксирибозимов. При этом не исключается, что дезоксирибозимы могут быть обнаружены и in vivo.