У двоспіральній РНК неможливі структурні перебудови, які в ДНК забезпечують стійкість молекули до хімічних модифікацій.
Ми часто чуємо про те, що життя на Землі почалося з РНК - саме рібонуклеїнові кислоти стали першими, хто навчився не тільки зберігати інформацію, але і передавати її з покоління в покоління і, що важливо, допускати при цьому певний відсоток помилок, що відкриває шлях відбору.
За гіпотезою РНК-світу, в найдавнішому океані на нашій планеті плавали молекули РНК, які копіювали самі себе і змагалися один з одним за ресурси - наприклад, за нуклеотиди, які служать для РНК будівельними «цеглинками».
Однак з часом РНК відійшла на другий план, і у сучасних організмів (за винятком деяких вірусів) вся спадкова інформація зберігається в ДНК, а РНК стала копією-посередником, яка синтезується на певному гені, а потім прямує до білок-синтезуючої машини. Ще є маса різновидів РНК, що виконують в клітинах найважливіші регуляторні функції, але, так чи інакше, зберіганням спадкової інформації і РНК зараз не займається.
Чому так сталося? Відомо, що ДНК набагато стійкіше, ніж РНК, і один з механізмів такої стійкості описують у своїй статті в Nature Structural and Molecular Biology Хашим Аль-Хашимі (Hashim M Al-Hashimi) і його колеги з Університету Дьюка. Але перш ніж перейти до суті їх роботи, потрібно згадати, що являє собою ДНК.
Ми знаємо, що це двоспіральна молекула, що нагадує гвинтові сходи - кожна нитка ДНК складена послідовністю рібонуклеотидів, до складу яких входять залишок фосфорної кислоти, цукор дезоксирибозу і азотиста основа. Саме азотисті підстави, числом чотири (аденін А, тімін Т, гуанін G, цитозин С), і утворюють генетичний текст.
У ДНК підстави звернені всередину «сходів», причому азотисті підстави однієї нитки ДНК з'єднуються з підставами іншої нитки, утворюючи «поперечини». Однак підстави з'єднуються не як, а за певним правилом комплементарності: аденін - з тіміном, гуанін - з цитозином. Заслуга Вотсона і Крика, які побудували модель ДНК, саме в тому, що вони зрозуміли, що саме таке з'єднання нуклеотидів в різних ланцюгах дозволяє зробити стійку довгу молекулу, яка зможе передавати інформацію своїй «дочці».
При реплікації (тобто при подвоєнні ДНК) на кожному її ланцюгу відповідно до правила комплементарності синтезується новий ланцюг, і завдяки суворому з'єднанню А з Т і G з С дві нові двоспіральні молекули ДНК виглядають так само, як і колишня материнська молекула. (Тут варто зауважити, що насправді стара молекула розходиться на два ланцюги, і кожен зі старих ланцюгів відходить у спадок дочірнім молекулам, але в молекулярні тонкощі реплікації ми зараз занурюватися не будемо.)
Але досить скоро виявилося, що нуклеотиди в комплементарних ланцюгах можуть спарюватися один з одним по-різному. Це не означає, що аденін раптом встане в пару з гуаніном - самі напарники будуть ті ж, просто хімічні зв'язки між ними будуть трохи інші. Схему неканонічного спарювання нуклеотидів запропонував Карст Хугстін, і з тих пір крім стандартних уотсон-криківських пар існують ще й хугстинівські пари. Повторимо ще раз, що при спарюванні по Хугстіну аденін як і раніше стоїть в парі з тіміном, а гуанін з цитозином, просто в їх молекулах зв'язку утворюються між іншими атомами, і самі азотисті підстави дещо інакше розгорнуті в просторі один відносно одного.
Різні види спарювання нуклеотидів дійсно є в природній ДНК: кілька років тому Аль-Хашимі і його співробітники показали, що пари нуклеотидів переходять у хугстинівську форму, коли ДНК зв'язується білками або ж коли в ній трапляться хімічні пошкодження. Коли білок залишає ДНК і коли пошкодження усуваються, пари підстав повертаються у звичайний, вотсон-криківський стан.
У РНК, як виявилося, ніяких хугстинівських взаємодій не виходить. РНК теж може існувати у формі подвійної спіралі, проте підстави в ній завжди спарені по Уотсону і Крику, незалежно від зовнішніх умов і незалежно від нуклеотидної послідовності самої РНК.
Більш того, коли в РНК вносили хімічну модифікацію, яка в ДНК змушувала азотисті підстави перейти в хугстинівську конфігурацію, то ланцюги РНК в такому випадку просто розходилися один з одним. Взагалі кажучи, параметри двозначних спіралів ДНК і РНК відрізняються, і, на думку авторів роботи, оскільки спіраль РНК більш щільна, то ніякі переходи від однієї схеми взаємодії до іншої в ній просто неможливі.
Іншими словами, взаємодії по Хугстіну додають ДНК гнучкості і міцності: у разі якихось хімічних неприємностей її ланцюги не розійдуться один з одним, а почекають, коли їх відремонтують. Можливо, хугстинівські взаємодії виявляються до речі взагалі при роботі з білками - адже ДНК постійно доводиться працювати з білками, які приходять або для того, щоб активувати якийсь ген, або щоб почати реплікацію, або для того, щоб виправити мутацію. Двоспіральна молекула РНК в цьому сенсі виявляється більш жорсткою і крихкою, і тому менш підходящою на роль зберігача генетичної інформації.