Зазвичай, щоб відтворити інформацію, життя має досить прості способи. Для копіювання ДНК зазвичай використовують ДНК як шаблон. Для створення РНК клітини також використовують ДНК як шаблон, а РНК, в свою чергу, надає інструкції для створення білків.
Але тепер одна бактерія відкрила інший шлях, і це глибоко дивує.
В одній частині цієї нововиявленої системи білок діє як молекулярний шаблон для побудови специфічної повторювальної послідовності ДНК – фактично дозволяючи інформації, написаній в амінокислотах, визначати інформацію, написану в ДНК.
Це навпаки – трохи схоже на використання торта як шаблону для написання рецепту, а не навпаки.
«Замість того, щоб копіювати одну нитку ДНК, щоб створити іншу, як це відбувається при звичайній реплікації ДНК, система використовує два різні реверс-транскриптази для незалежного створення двох комплементарних ниток», – розповів біохімік Семюел Стернберг з Колумбійського університету.
«Один фермент копіює РНК-шаблон, в той час як інший використовує амінокислоти в самому білку, щоб визначити, які будівельні блоки ДНК додавати. Дві отримані нитки ДНК потім знаходять одна одну і з'єднуються, щоб утворити двоє спіральне ДНК, що в кінцевому підсумку допомагає бактерії захиститися від вірусів».
ДНК – це, по суті, система зберігання інформації життя. Її знамените подвійне спіральне будова складається з двох ниток, побудованих з чотирьох хімічних основ: аденін (А), цитозин (Ц), гуанін (Г) і тимін (Т). Ці чотири інгредієнти складають генетичний матеріал усіх живих істот.
Вони не можуть просто бути зібрані безладно. Вони паруються на основі специфічних правил – А з Т, і Ц з Г. Це означає, що послідовність будь-якої нитки міститиме інформацію, необхідну для побудови іншої.
Коли клітина реплікує ДНК, вона роз'єднує дві нитки, як блискавка, і кожна окрема нитка потім діє як шаблон для побудови нової нитки, що обвивається навколо неї. Нитка, послідовність якої читається А-Г-Ц-Т, наприклад, очевидно вимагатиме послідовність Т-Ц-Г-А.
У деяких випадках ферменти, звані реверс-транскриптазами, можуть створювати ДНК, використовуючи РНК як шаблон; це трюк, який використовують, наприклад, ретровіруси. Але в будь-якому випадку, в процесі задіяна нуклеїнова кислота.
Ось тут бактерії стають трохи дивними, виявили Стернберг і його колеги.
Ці організми відомі тим, що використовують систему, звану реверс-транскриптазами, асоційованими з захистом (DRT), як частину своєї імунної відповіді проти вірусів, але не було зрозуміло, як ця система насправді працює.
Стернберг і його колеги вивчали одну таку систему, звану DRT3, в Escherichia coli, використовуючи набір експериментів, щоб з'ясувати, що роблять її дві реверс-транскриптази.
Коли вони досліджували структуру одного з цих ферментів, DRT3b, за допомогою кріо-електронної мікроскопії, вони виявили щось, чого не очікували.
«Ми знали з наших експериментів, що DRT3b може створювати цю дуже специфічну повторювальну послідовність ДНК без РНК, яку вимагає інша реверс-транскриптаза. Але ми не знали, як це відбувається», – сказав Стернберг.
«Справжній момент „аха“ прийшов з біохімічних експериментів і структури кріо-ЕМ. Хіросі Нішімасу та його команда змогли фактично побачити продукт ДНК, що сидить у ферменті, і структура розмістила ці дві амінокислоти в точно правильних позиціях, щоб пояснити чергування послідовності.
«Це відразу ж запропонувало досить дикий варіант: сам білок визначав послідовність».
Структура сама по собі не була достатньою, щоб це довести. Тому дослідники змінили дві амінокислоти, які, на їхню думку, були відповідальні за визначення послідовності.
Коли вони це зробили, як синтез ДНК, так і антивірусний захист бактерії зламалися, підтверджуючи, що амінокислоти були критично важливими для процесу.
Ще більш вражаюче, DRT3b робив це без шаблону нуклеїнової кислоти. Натомість дві амінокислоти, розташовані поруч з активним центром ферменту, фактично діяли як шаблон самі по собі: одна сприяла включенню А, а інша – Ц.
Результатом є надзвичайно проста нитка ДНК, що складається з повторювальної послідовності Ц-А-Ц-А-Ц-А.
«Отже, в дуже буквальному сенсі інформація в амінокислотній послідовності білка перекладається в послідовність ДНК», – сказав Стернберг. «Це дуже інший потік біологічної інформації, ніж те, про що ми зазвичай думаємо».
Але це лише половина того, що робить DRT3.
Нитка ДНК, що має білковий шаблон, є лише однією з двох ниток, створених системою. Друга реверс-транскриптаза, DRT3a, незалежно створює іншу повторювальну нитку ДНК – але цього разу, звичайним способом, використовуючи РНК як шаблон.
Обидві нитки є комплементарними. Після створення вони спонтанно знаходять одна одну і з'єднуються, формуючи знайому подвійну спіраль подвійної спіральної ДНК.
Це також є зворотним від звичайного способу дій. Зазвичай дві нитки ДНК не створюються незалежно: існуюча нитка надає шаблон для свого нового партнера.
Тут жодна з новостворених ниток не надає інструкції для іншої. Одна отримує свою послідовність інформації з РНК, інша – з білка, і лише потім вони з'єднуються.
«Один додатковий аспект дослідження, який я вважаю особливо захоплюючим, полягає в тому, що воно кидає виклик звичайному уявленню про те, як створюється подвійна спіраль ДНК», – сказав Стернберг.
«Зазвичай ми вважаємо, що одна нитка несе інформацію, необхідну для створення іншої. Тут дві нитки синтезуються незалежно, використовуючи два абсолютно різні види шаблонів – РНК для однієї та білка для іншої – і лише потім з'єднуються, щоб утворити подвійні спіралі.
«Для мене це досить вражаючий приклад того, наскільки винахідливою може бути еволюція з дуже знайомими молекулярними будівельними блоками».
Але DRT3 не виконує цей складний молекулярний трюк просто так. Це система захисту, і дивна ДНК, здається, діє як своєрідна пастка для вторгуючих вірусів.
У нормальних умовах фермент, званий RecBCD, постійно знищує ДНК, вироблену DRT3, запобігаючи її накопиченню. RecBCD сам є частиною захисту бактерії, допомагаючи знищувати вторгуючу вірусну ДНК. Деякі віруси, як частина свого арсеналу атак, виробляють білки, які відключають RecBCD.
«Вірус намагається відключити RecBCD, тому що RecBCD є важливим антивірусним захистом», – пояснив Стернберг. «Але, відключаючи його, вірус ненавмисно знімає гальмо з DRT3».
Коли ДНК, вироблена DRT3, накопичується, бактерія перестає рости – і, в свою чергу, це запобігає вірусу від ефективного розмноження. Клітина бактерії жертвується, щоб запобігти поширенню вірусу на навколишнє населення.
Необхідні подальші дослідження, щоб визначити, як DRT3 зупиняє ріст бактерії. Дослідники також прагнуть дослідити, чи можуть подібні системи бути здатні писати різні послідовності ДНК.
«Моя підозра полягає в тому, що це лише верхівка айсберга», – сказав Стернберг.
«Я сумніваюся, що DRT3b є єдиним ферментом, здатним до такого роду нетрадиційного синтезу ДНК. Чи є багато інших білків, які використовують саме цей механізм шаблонування амінокислот, ще належить з'ясувати, але я був би здивований, якби природа винайшла це лише один раз.
«Ширше кажучи, я вважаю, що в бактеріальних імунних системах приховано величезну кількість невивчених ензимів».
Результати дослідження були опубліковані в Cell.
Цікавий факт
Дослідження показали, що бактерії можуть адаптувати свої механізми захисту, щоб боротися з новими вірусами, що робить їх надзвичайно гнучкими в умовах еволюційного тиску.