Ученые обнаружили способ, с помощью которого жизнь может создавать ДНК без ДНК

Фото из открытых источников

Для воспроизведения информации в жизни обычно существуют довольно простые способы решения задач. Для копирования ДНК обычно используется ДНК в качестве матрицы. Для создания РНК клетки обычно используют ДНК в качестве матрицы, а РНК, в свою очередь, предоставляет инструкции для создания белков. Но теперь бактерия указала на другой путь, и это очень удивительно. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Cell.

В одной половине этой недавно обнаруженной системы белок выступает в качестве молекулярного шаблона для построения специфической повторяющейся последовательности ДНК – по сути, позволяя информации, записанной в аминокислотах, определять информацию, записанную в ДНК.

И это неправильный подход – это все равно что использовать торт в качестве шаблона для написания рецепта, а не рецепт в качестве шаблона для приготовления торта.

«Вместо того чтобы копировать одну нить ДНК для создания другой, как это происходит при обычной репликации ДНК, система использует две разные обратные транскриптазы для независимого создания двух комплементарных нитей», — рассказал биохимик Самуэль Штернберг из Колумбийского университета. «Один фермент копирует РНК-матрицу, а другой использует аминокислоты самого белка, чтобы определить, какие строительные блоки ДНК будут добавлены. Затем две образовавшиеся нити ДНК находят друг друга и соединяются, образуя двухцепочечную ДНК, которая в конечном итоге помогает бактерии защищаться от вирусов».

ДНК — это, по сути, система хранения информации в живых организмах. Ее знаменитая двойная спиральная структура состоит из двух нитей, построенных из четырех химических оснований: аденина (А), цитозина (С), гуанина (Г) и тимина (Т). Эти четыре компонента составляют генетический материал всех живых существ.

Однако их нельзя просто так соединить как попало. Они сопоставляются по определенным правилам – А с Т, а С с Г. Это означает, что последовательность каждой нити будет содержать информацию, необходимую для построения другой.

Когда клетка реплицирует ДНК, она раздвигает две нити, как молнию, и каждая отдельная нить затем служит шаблоном для построения новой нити, которая наматывается на нее. Например, нить, последовательность которой читается как AGCT, очевидно, потребует последовательности TCGA.

В некоторых случаях ферменты, называемые обратными транскриптазами, могут создавать ДНК, используя РНК в качестве матрицы; это прием, который, например, используют ретровирусы. Но в любом случае в этом процессе участвует нуклеиновая кислота.

Как выяснили Штернберг и его коллеги, именно здесь бактерии начинают вести себя несколько странно.

Известно, что эти организмы используют систему, называемую защитно-ассоциированными обратными транскриптазами (DRT), в рамках своего иммунного ответа против вирусов, но до сих пор не было ясно, как именно работает эта система.

Штернберг и его коллеги изучили одну из таких систем, называемую DRT3, в бактерии Escherichia coli , используя ряд экспериментов, чтобы выяснить, что делают две её обратные транскриптазы. Изучив структуру одного из этих ферментов, DRT3b, с помощью криоэлектронной микроскопии, они обнаружили нечто неожиданное.

«Из наших экспериментов мы знали, что DRT3b может создавать эту очень специфическую повторяющуюся последовательность ДНК без РНК, которая необходима другой обратной транскриптазе. Но мы не знали, как именно она это делает», — сказал Штернберг. «Настоящий момент озарения наступил благодаря биохимическим экспериментам и структуре, полученной методом криоэлектронной микроскопии. Хироши Нишимасу и его команда смогли увидеть ДНК-продукт, находящийся в ферменте, и структура точно определила положение этих двух аминокислот, что объясняет чередующуюся последовательность. Это сразу же навело на довольно смелую мысль: белок сам определял последовательность».

Однако одной лишь структуры было недостаточно, чтобы это доказать. Поэтому исследователи изменили две аминокислоты, которые, как они подозревали, отвечали за определение последовательности.

Когда это произошло, нарушились как синтез ДНК, так и противовирусная защита бактерии, что подтвердило критическую роль аминокислот в этом процессе.

Что еще более примечательно, DRT3b делал это вообще без нуклеиновой кислоты в качестве матрицы. Вместо этого две аминокислоты, расположенные рядом с активным центром фермента, фактически сами выступали в качестве матрицы: одна способствовала включению А, а другая — С.

В результате получается чрезвычайно простая нить ДНК, состоящая из повторяющейся последовательности CACACA.

«Таким образом, в самом буквальном смысле информация, содержащаяся в аминокислотной последовательности белка, преобразуется в последовательность ДНК, — сказал Штернберг. — Это совершенно иной поток биологической информации, чем тот, о котором мы обычно думаем».

Но это лишь половина того, что делает DRT3.

ДНК-нить, синтезируемая с помощью белка DRT3b, — лишь одна из двух нитей, создаваемых этой системой. Вторая обратная транскриптаза, DRT3a, независимо от неё строит другую повторяющуюся нить ДНК, но на этот раз более традиционным способом, используя РНК в качестве матрицы.

Две нити комплементарны. После образования они спонтанно находят друг друга и соединяются в пары, образуя знакомую двойную спираль двухцепочечной ДНК. Это тоже противоречит обычному способу работы. Обычно две нити ДНК не создаются независимо друг от друга: существующая нить служит матрицей для своей новой пары.

Здесь ни одна из вновь образованных нитей не предоставляет инструкций для другой. Одна получает информацию о своей последовательности от РНК, другая — от белка, и только после этого они соединяются.

«Еще один аспект исследования, который меня особенно заинтересовал, заключается в том, что он ставит под сомнение общепринятое представление о том, как образуется двухцепочечная ДНК», — сказал Штернберг. «Обычно мы считаем, что одна нить несет информацию, необходимую для образования другой. Здесь же две нити синтезируются независимо, используя два совершенно разных типа матриц – РНК для одной и белок для другой – и только потом соединяются, образуя двойную спираль. Для меня это весьма примечательный пример того, насколько изобретательной может быть эволюция, используя очень знакомые молекулярные строительные блоки».

Но DRT3 выполняет этот сложный молекулярный трюк не просто для того, чтобы похвастаться. Это защитная система, и странная ДНК, по-видимому, действует как своего рода ловушка для вторгшихся вирусов.

В нормальных условиях фермент RecBCD постоянно разрушает ДНК, производимую DRT3, предотвращая ее накопление. Сам RecBCD является частью защитных механизмов бактерии, помогая уничтожать вторгшуюся вирусную ДНК. Некоторые вирусы, в рамках своего арсенала атак, производят белки, которые деактивируют RecBCD.

«Вирус пытается отключить RecBCD, потому что сам по себе RecBCD является важным противовирусным защитным механизмом, — объяснил Штернберг. — Но, отключая его, вирус непреднамеренно снимает тормоз с DRT3».

По мере накопления ДНК, продуцируемой DRT3, рост бактерии прекращается, что, в свою очередь, препятствует эффективному размножению вируса. Бактериальная клетка уничтожается, чтобы предотвратить распространение вируса среди окружающей популяции.

Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, как DRT3 препятствует росту бактерии. Исследователи также заинтересованы в изучении того, способны ли аналогичные системы записывать различные последовательности ДНК.

«У меня есть подозрение, что это лишь верхушка айсберга», — сказал Штернберг. «Я сомневаюсь, что DRT3b — единственный фермент, способный на такой нетрадиционный синтез ДНК. Ещё предстоит выяснить, существует ли множество других белков, использующих именно этот механизм формирования ДНК из аминокислот, но я был бы удивлён, если бы природа изобрела его всего один раз. В более широком смысле, я думаю, что в бактериальных иммунных системах скрывается огромное количество неизученных энзимологических процессов».