Replisom DNA – paradygmat projektuCzas czytania: 11 min

Replisom DNA to jedna z najbardziej niezwykłych maszyn molekularnych, na którą składa się kompleks różnych białek. Każde z tych białek ma bardzo specyficzną budowę, dzięki czemu może pełnić swoją funkcję w umożliwiającym zajście podziału komórkowego procesie kopiowania genomu. Zmierzono, że tempo replikacji DNA jest zawrotne i wynosi 749 zasad azotowych nukleotydów na sekundę¹. Uważa się ponadto, że częstość pojawiania się błędów w wyniku działania wiernie kopiujących polimeraz znajduje się w zakresie między 10^–7 a 10^–8, co ustalono na podstawie badań replikacji DNA u bakterii E. coli i bakteriofagów².

Jedną z najlepszych animacji tego niesamowitego procesu opracował australijski animator Drew Berry:

Trudno byłoby oglądać tego typu animację (która jest bardzo uproszczona) i nie mieć silnego przeczucia, że tak misternie skoordynowana maszyna jest wytworem mistrzowskiej inżynierii. Stabilne i funkcjonalne struktury białkowe występują niezmiernie rzadko w kombinatorycznej przestrzeni sekwencji, a w procesie replikacji DNA wymagana jest duża liczba takich białek. Nie nadają się jednak do tego dowolne, istniejące już od dawna, stabilnie sfałdowane białka. Muszą być one tworzone specjalnie do wykonywania odpowiednich dla nich zadań. W gruncie rzeczy, gdy koncentrujemy się na specyficznych białkach, nasza intuicja projektu staje się zdecydowanie mocniejsza. Wystarczy obejrzeć na przykład piękne animacje topoizomerazy³, helikazy⁴ i polimerazy DNA⁵. Tak w jednym z artykułów opisano inżynieryjną sprawność procesu replikacji DNA:

Synteza całego genomowego DNA obejmuje wysoce skoordynowane działanie licznych polipeptydów. Te białka tworzą dwie nowe nici DNA w zawrotnym tempie, które u E. coli zbliża się do 1000 zasad azotowych nukleotydów na sekundę. Gdyby dupleks DNA miał metr średnicy, to proces replikacji u E. coli z grubsza można byłoby opisać następująco. Widełki replikacyjne poruszałyby się z prędkością bliską 600 kilometrów na godzinę (375 mil na godzinę), a maszyneria replikacyjna miałaby wielkość samochodu dostawczego FedEx. Replikacja genomu E. coli zajęłaby 40 minut, a dwie takie maszyny przebyłyby 400 kilometrów (250 mil), popełniając błąd tylko – średnio rzecz biorąc – raz na 170 kilometrów (106 mil). Mechaniczna sprawność tego kompleksu jest jeszcze bardziej imponująca, jeśli weźmiemy pod uwagę, że syntetyzuje on dwie nici jednocześnie. Jedna nić jest syntetyzowana w tym samym kierunku, w jakim poruszają się widełki replikacyjne, ale druga (nić opóźniona) jest syntetyzowana po kawałku (w postaci fragmentów Okazaki) i w kierunku przeciwnym do ogólnego ruchu widełek replikacyjnych. W rezultacie mniej więcej raz na sekundę jeden dostarczyciel (czyli miejsce aktywne polimerazy) kierujący samochodem dostawczym musiałby pojechać objazdem, wysiąść i powrócić do swojej nici DNA matrycowego, syntetyzując fragmenty liczące 0,2 kilometra (0,13 mili) długości⁶.

Nieredukowalna złożoność na sterydach

Replikacja DNA stanowi przykład czegoś, co możemy określić mianem „nieredukowalnej złożoności na sterydach”. Duplikacja genomu to warunek wstępny zróżnicowanego przetrwania, które jest konieczne do tego, aby proces doboru naturalnego mógł w ogóle działać. W celu wyjaśnienia powstania procesu replikacji DNA można powoływać się na dobór naturalny tylko wówczas, jeśli założy się istnienie tego, co wymaga wyjaśnienia. Trudno wyobrazić sobie realny system replikacji, który byłby prostszy od replisomu DNA przedstawionego na zamieszczonej wyżej animacji. Popularną hipotezą jest scenariusz świata RNA (zgodnie z którym życie oparte na RNA poprzedzało życie oparte na DNA i białkach), ale napotyka on wiele problemów, o czym wielokrotnie pisano na blogu „Evolution News & Science Today” i w różnych innych publikacjach⁷. Jednym z głównych problemów jest wrodzona niestabilność RNA (który składa się z jednej nici i posiada dodatkową grupę 2’-OH, przez co jest podatny na hydrolizę). Jest więc skrajnie mało prawdopodobne, że polimery RNA przetrwałyby w środowisku panującym na wczesnej Ziemi dostatecznie długo, by odegrać jakąś znaczącą rolę. Ponadto, gdy RNA formuje komplementarne pary zasad azotowych umożliwiające mu odwijanie się, część cząsteczki przestaje być odsłoniętą nicią, która może posłużyć jako matryca dla procesu kopiowania. W związku z tym na zdolność RNA do samopowielania się nałożone jest fizyczne ograniczenie.

Kolejnym powodem, dla którego maszyneria replikacji DNA przejawia nieredukowalną złożoność na sterydach, jest to, że ze względu na pierwotny charakter tej maszynerii trudniej jest sformułować jakiś scenariusz kooptacji niż w przypadku systemu powstałego znacznie później, takiego jak wić bakteryjna. W przypadku wici bakteryjnej można przynajmniej wskazywać alternatywne funkcje, które mogły być pełnione przez różne składniki wici (na przykład przez system wydzielinowy typu III). Jeśli chodzi natomiast o maszynerię replikacji DNA, to nie jest jasne, z jakich innych systemów można by zapożyczyć jakiekolwiek jej składniki – każdy inny system musiałby przecież powstać po powstaniu maszynerii replikacji DNA.

Jeszcze bardziej niezwykłą zagadkę stanowi to, że w trzech domenach życia kluczowe enzymy (zwłaszcza polimerazy replikacyjne) nie są homologiczne, co skłania do przyjęcia, że maszyneria replikacji DNA mogła powstać niezależnie więcej niż jeden raz⁸. Ta obserwacja jest w większej mierze zgodna z teorią inteligentnego projektu niż z naturalistyczną teorią ewolucji.

Jakie składniki są istotne dla maszynerii replikacji DNA?

Jakie składniki białkowe biorące udział w procesie replikacji DNA są niezbędne do funkcjonowania? Takim składnikiem jest przede wszystkim polimeraza DNA, która odpowiada za kopiowanie każdej nici. Bez niej replikacja w ogóle nie mogłaby dojść do skutku. Polimeraza DNA nie może jednak rozpocząć replikacji bez obecności wolnej grupy 3’-OH (hydroksylowej). W związku z tym inny enzym – forma polimerazy RNA zwana prymazą – tworzy krótki fragment RNA (nazywany starterem), do którego może się przyłączyć polimeraza DNA (w odróżnieniu od polimerazy DNA, prymaza nie wymaga obecności wolnej grupy 3’-OH). Przy braku enzymu prymazy nie utworzą się żadne startery RNA ani na nici wiodącej, ani na nici opóźnionej, a replikacja DNA nie będzie mogła się rozpocząć. Ponadto sama polimeraza DNA musi zostać przyłączona do DNA przez mające kształt pierścienia białko nazywane jądrowym antygenem komórek proliferujących (PCNA – proliferating cell nuclear antigen; białko to określane jest też mianem DNA clamp albo sliding clamp) (dzięki któremu polimeraza DNA nie odpada od nici DNA matrycowego). Jądrowy antygen komórek proliferujących nie może jednak przyłączyć się do DNA samodzielnie i bezpośrednio. Potrzebny jest do tego także kompleks białkowy nazywany czynnikiem replikacyjnym C (RFC – replication factor C; kompleks ten określany jest również mianem clamp loader), który pośredniczy w umieszczaniu jądrowego antygenu komórek proliferujących w DNA w pobliżu widełek replikacyjnych, wykorzystując energię z hydrolizy ATP do otwarcia pierścienia tego białka i wklejenia go do DNA. Przy braku jądrowego antygenu komórek proliferujących lub czynnika replikacyjnego C polimeraza DNA często odpadałaby od matrycy DNA, przez co byłaby bardzo mało wydajna.

Oczywiście proces replikacji nie może się zacząć, jeżeli podwójna helisa DNA nie jest rozplątana, a za jej rozplątanie odpowiada enzym helikaza, który rozrywa wiązania wodorowe wzdłuż cząsteczki DNA, otwierając dwie nici i umożliwiając ich replikację wskutek działania polimerazy. Przy braku helikazy polimeraza DNA stanęłaby w miejscu, nie mogąc oddzielać znajdujących się przed nią nici.

Nawet w obecności rozdzielającego dwie nici enzymu helikazy nici mogą ponownie się ze sobą łączyć w trakcie procesu kopiowania. Zapobiegają temu jednoniciowe białka wiążące, które wiążą się z odsłoniętymi nićmi DNA. Bez tych białek nici DNA ponownie by się ze sobą wiązały, zanim udałoby się je skopiować.

Enzym topoizomeraza jest niezbędny do usuwania powstających w wyniku naprężania skrętnego superzwinięć cząsteczek DNA. Topoizomeraza dokonuje tego poprzez odcięcie jednej nici, przepuszczenie drugiej nici przez oczko i zszycie nici w miejscu zerwania. Przy braku enzymu topoizomerazy DNA w końcu uległoby rozerwaniu, przez co zatrzymałby się proces replikacji DNA.

Ze względu na antyrównoległość nici DNA (oraz na to, że polimeraza DNA może prowadzić replikację wyłącznie w kierunku od 5’ do 3’) jedna nić – nić opóźniona – musi ulegać replikacji w kierunku odwrotnym (tak aby widełki replikacyjne poruszały się w jednym kierunku). Zachodzi to w sposób nieciągły, po małym odcinku naraz. Prymaza tworzy startery RNA, z których syntetyzowane są krótkie fragmenty DNA nazywane fragmentami Okazaki. Startery RNA są następnie usuwane i zastępowane przez DNA, a fragmenty Okazaki są łączone ze sobą za pomocą enzymu ligazy. Warto dodać, że przy braku enzymów wycinających RNA (które usuwają startery RNA), fragmenty RNA pozostałyby połączone wiązaniami kowalencyjnymi z nowo skopiowanymi fragmentami DNA. Co więcej, przy braku ligazy (która łączy ze sobą fragmenty Okazaki) nowo skopiowane nici nadal miałyby postać fragmentów.

Jeśli usunięcie któregokolwiek z wyżej wspomnianych składników powodowałoby niefunkcjonalność maszynerii replikacji DNA, to jak taki system mógł powstać w niekierowany, darwinowski, zachodzący krok po kroku sposób, zachowując na każdym etapie użyteczność selekcyjną? Niezależnie od tego, jaki proces wytworzył replisom DNA, musiał być to proces, który wiedział, jaki ostatecznie cel ma osiągnąć. Inaczej mówiąc, był to proces teleologiczny.

Paradygmat projektu

Maszyneria replikacji DNA stanowi jeden z najbardziej niezwykłych przykładów nanotechnologii w komórce. W każdej innej dziedzinie doświadczenia taki złożony i wyrafinowany układ części natychmiast zostałby uznany za rezultat świadomego zamysłu – czyli za wytwór umysłu. Dlaczego przyjęcie takiego wniosku miałoby być zabronione w badaniach układów biologicznych? Z większą ilością szczegółów na temat tej fascynującej maszyny molekularnej można zapoznać się, słuchając wywiadu, który przeprowadzono ze mną latem 2023 roku i opublikowano na stronie ID the Future⁹. Ponad dziesięć lat temu opublikowałem również serię artykułów, w których bardziej szczegółowo opisałem różne składniki białkowe maszynerii replikacji DNA. Oto te artykuły:

• DNA Replication: An Engineering Marvel [Replikacja DNA – cud inżynierii]¹⁰;
• Replicating DNA with Extraordinary Fidelity: Meet DNA Polymerase [Kopiowanie DNA z nadzwyczajną wiernością – poznaj polimerazę DNA]¹¹;
• Unwinding the Double Helix: Meet DNA Helicase [Rozplątywanie podwójnej helisy – poznaj helikazę DNA]¹².

Jeśli podobała ci się przedstawiona na początku niniejszego artykułu animacja, którą opracował Drew Berry, to warto obejrzeć też bardziej szczegółową animację przygotowaną przez Oxford University Press¹³. Interesująca jest także druga animacja, która pokazuje, jak polimerazy DNA łączą się ze sobą, dzięki czemu mogą poruszać się w tym samym kierunku¹⁴.

Jonathan McLatchie

Oryginał: The DNA Replisome: A Paradigm of Design, „Evolution News & Science Today” 2024, March 21 [dostęp: 17 V 2024].

Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan

Literatura: