Ученые выявили «фундаментально новый способ» образования ДНК в живых организмах

Фото из открытых источников

На протяжении десятилетий в учебниках по биологии действовало простое правило: ДНК создается путем копирования матрицы. После того, как один фермент расщепляет двойную спираль ДНК на отдельные нити, другой фермент, называемый полимеразой, создает комплементарную последовательность, нуклеотид за нуклеотидом, для каждой нити. Вуаля: две копии исходной ДНК. 

Но новые исследования того, как бактерии защищаются от вирусов, показывают, что это правило синтеза не является абсолютным. В журнале Science группа исследователей описывает бактериальный фермент, который синтезирует ДНК без матрицы нуклеиновой кислоты, используя свою собственную структуру в качестве ориентира.

«Это исследование — прорывное», — говорит Филип Кранцуш, биохимик из Гарвардской медицинской школы, изучающий защитные механизмы бактерий. «Очень круто!» — добавляет Ади Миллман, специалист по вычислительной биологии из Массачусетского технологического института. Использование белка в качестве матрицы для синтеза ДНК, по ее словам, «представляет собой значительный концептуальный сдвиг от классической центральной догмы», согласно которой информация передается в одном направлении от нуклеиновых кислот, таких как ДНК, к белку. Ученые надеются, что новая форма синтеза ДНК может быть адаптирована в качестве инструмента для фундаментальных биологических исследований, подобно тому, как мощный редактор генома CRISPR был разработан на основе другой системы защиты бактерий.

В канонической репликации ДНК действуют основные правила комплементарного спаривания оснований: полимеразы собирают комплементарную нить ДНК, сопоставляя аденин с тимином и гуанин с цитозином на матрице. Репликация также может происходить с использованием РНК в качестве матрицы благодаря полимеразам, называемым обратными транскриптазами, которые используют эту нуклеиновую кислоту для направленного синтеза одноцепочечной ДНК.

Новое открытие сосредоточено на DRT3, защитной системе, которая оберегает бактерии от вирусов, известных как фаги, которые их инфицируют. Исследователи обнаружили, что DRT3 обходит логику комплементарного спаривания оснований. Она использует две обратные транскриптазы: обычную, которая строит одноцепочечную ДНК из РНК-матрицы, и вторую, необычную, которая собирает свой комплемент из собственной встроенной матрицы. Этот необычный фермент, называемый Drt3b, имеет в своем активном центре аминокислоты, имитирующие матрицу РНК.

«Сам белок служит планом для последовательности ДНК», — говорит ведущий автор исследования биохимик Алекс Гао. «Это стало для меня неожиданностью, — говорит он. — Это принципиально новый способ, которым живые организмы производят ДНК».

Белок DRT3, по-видимому, широко распространен среди бактерий, что позволяет предположить, что он не является биохимической диковинкой. Однако механизм его действия против фагов до сих пор остается загадкой.

По словам Гао, одна из возможных версий заключается в том, что спирали ДНК, созданные этим уникальным методом репликации, действуют как молекулярные губки, которые прикрепляются к компонентам фага, либо непосредственно препятствуя его действию, либо позволяя другим бактериальным иммунным элементам распознавать инфекцию. Если эта идея подтвердится, говорит Кранцуш, DRT3 дополнит недавние открытия полимеразоподобных белков в других бактериальных защитных системах, которые производят полимеры нуклеиновых кислот для обнаружения и подавления фаговой инфекции.

DRT3 также представляет собой еще одну поразительную роль обратных транскриптаз, давно ассоциируемых с ретровирусами, такими как ВИЧ, который использует одну из них для синтеза ДНК-копии своего РНК-генома и внедрения в хромосомы клетки. В последние годы было обнаружено, что эти ферменты играют ключевую роль в некоторых системах защиты бактерий CRISPR и в генерации совершенно новых бактериальных генов. По словам Гао, обратные транскриптазы теперь рассматриваются как «высокоадаптивные структуры, которые неоднократно использовались» для функций, выходящих за рамки репликации ДНК.

Подобно CRISPR, DRT3 может найти практическое применение. «DRT3 представляет собой универсальную молекулярную машину для синтеза ДНК с заданной последовательностью, что является редкой находкой в природе», — говорит Гао. Drt3b производит специфическую последовательность ДНК. Если бы ученые смогли разработать способ его модификации для получения других последовательностей, говорит он, они могли бы создавать, например, специализированные нити ДНК для получения передовых биоматериалов, таких как ДНК-гидрогели.

В более широком смысле, это открытие подчеркивает, как много еще остается скрытым в микробной биологии. По словам Гао, DRT3 следует рассматривать как «катализатор для переосмысления темной материи микробного мира». А поскольку многие системы защиты бактерий до сих пор не изучены, добавляет Оуд Бернхайм, микробиолог из Института Пастера, «замечательно представить, что многие из них кодируют экзотические биохимические функции, подобные той, которая была обнаружена здесь».