С тех пор как в 1960-х годах был впервые расшифрован генетический код гены стали казаться открытой книгой.
Читая и расшифровывая наши хромосомы как строчки букв, похожие на предложения в романе, мы можем определить гены в нашем геноме и узнать, как изменения в коде того или иного гена влияют на здоровье. Считалось, что это линейное правило жизни управляет всеми формами жизни, от человека до бактерий.
Однако новое исследование ученых из Колумбийского университета, опубликованное в журнале Science, показывает, что бактерии нарушают это правило и могут создавать свободно плавающие и эфемерные гены, повышая вероятность того, что подобные гены существуют за пределами нашего собственного генома. "Это открытие ставит крест на представлении о том, что хромосома содержит полный набор инструкций, которые клетки используют для производства белков", - утверждает руководитель исследования Сэмюэл Стернберг. "Теперь мы знаем, что по крайней мере у бактерий, могут быть другие инструкции, не сохранившиеся в геноме, которые, тем не менее, необходимы для выживания клеток".
Когда несколько месяцев назад работа впервые появилась в виде препринта, сразу же последовала бурная реакция ученых. В новостной статье в Nature ученые назвали открытие "инопланетной биологией", "поразительным" и "шокирующим". "Это также неоднократно приводило нас в замешательство", - говорит Стернберг, - и мы переходили от сомнений к изумлению по мере того, как механизм постепенно прояснялся".
Бактерии и их вирусы уже много веков находятся в состоянии борьбы: вирусы пытаются внедрить свою ДНК в геном бактерий, а бактерии придумывают хитроумные методы (например, CRISPR), чтобы защитить себя. Многие защитные механизмы бактерий остаются неизученными, но могут привести к появлению новых инструментов редактирования генома.
Бактериальная защитно-ассоциированная система обратной транскриптазы (defense-associated reverse transcriptase - DRT), которую выбрали для исследования Стернберг и коллеги, очень странная: она включает в себя фрагмент РНК с неизвестной функцией и обратную транскриптазу - фермент, синтезирующий ДНК из РНК-шаблона. Наиболее распространенные защитные системы бактерий разрезают или разрушают поступающую вирусную ДНК, "поэтому нас озадачила идея защищать геном путем синтеза ДНК", - рассказывает Стернберг.
Чтобы узнать, как работает эта странная защита, Стернберг сначала создал новую методику идентификации ДНК, продуцируемой обратной транскриптазой. ДНК, которую он обнаружил, была длинной, но повторяющейся, содержащей несколько копий короткой последовательности в молекуле РНК защитной системы. Затем он понял, что эта часть молекулы РНК сворачивается в петлю, и обратная транскриптаза много раз проходит вокруг этой петли, создавая повторяющуюся ДНК. "Это похоже на то, как если бы вы собирались сделать ксерокопию книги, но копировальный аппарат просто начал выдавать одну и ту же страницу снова и снова", - объясняет Стернберг.
Изначально исследователи подумали, что в их экспериментах что-то не так, или что фермент совершает ошибку, и созданная им ДНК не имеет смысла. "И вот тогда мы и обнаружили, что эта молекула ДНК представляет собой полностью функционирующий, свободно плавающий, транзиторный ген", - рассказал Стернберг. Белок, кодируемый этим геном, как выяснили исследователи, является критической частью системы противовирусной защиты бактерий. Вирусная инфекция вызывает выработку белка (исследователи назвали его Neo), который не позволяет вирусу реплицироваться и заражать соседние клетки.
"Наша работа демонстрирует изящное расширение потенциала кодирования генома за счет создания генов с помощью РНК и бросает вызов традиционным парадигмам генетической информации, закодированной вдоль одномерной оси геномной ДНК", - утверждает Стернберг.
Если подобные гены будут обнаружены в клетках высших организмов, "это будет поистине революционным открытием", - считает он. "Возможно, существуют гены или последовательности ДНК, которые не входят ни в одну из 23 хромосом человека. И возможно, они образуются только в определенной среде, в определенных условиях развития или генетических контекстах, но при этом предоставляют важную информацию о кодировании на которую мы полагаемся в своей нормальной физиологии".
Сейчас лаборатория использует разработанные методы для поиска внехромосомных генов человека, производимых обратными транскриптазами. Тысячи генов обратной транскриптазы существуют в геноме человека, и многие из них имеют еще не раскрытые функции. "Предстоит заполнить значительный пробел, который может открыть новые интересные биологические возможности", - говорит Стернберг.
Хотя генная терапия с использованием CRISPR-редактирования уже проходит клинические испытания (а одна из них была одобрена в прошлом году для лечения серповидноклеточной анемии), CRISPR не является идеальной технологией. Новые методы, сочетающие CRISPR с обратной транскриптазой, дают генным инженерам больше возможностей. "Обратная транскриптаза дает возможность вписывать новую информацию в те места, которые CRISPR вырезает, чего не может сделать сама CRISPR, - говорит Стернберг, - но все используют одну и ту же обратную транскриптазу, которая была открыта несколько десятилетий назад".
Обратная транскриптаза, создающая Neo, обладает определенными свойствами, которые могут сделать ее лучшим вариантом для редактирования генома и для создания новых генных терапий. В бактериях существуют и более загадочные обратные транскриптазы, которые еще предстоит исследовать. "Мы думаем, что бактерии могут быть сокровищницей обратных транскриптаз, которые могут стать удобными отправными точками для новых технологий, когда мы поймем, как они работают", - уверен Стернберг.
