Перед ДНК стоит сложная задача. В тысячи раз длиннее клетки, которая ее содержит, эта запутанная нить из А, Т, Г и Ц должна сложиться в компактный сверток.
Но тонкая молекула двойной спирали не может сама себя сворачивать так, чтобы не образовался ужасный узел. Более того, клетке необходимо, чтобы определенные сегменты нити - конкретные гены - оставались доступными для механизмов, производящих белки, а другие были спрятаны и выключены. Это похоже на игру в "Тетрис" со спутанным клубком пряжи.
Содержащие ядро эукариотические клетки людей, растений и животных, полагаются на сложное взаимодействие между химическими метками и специализированными белками, чтобы дать инструкции о том, какие гены включать и какие выключать - это система, называемая эпигенетикой. В течение десятилетий ученые считали, что эпигенетическая регуляция характерна только для эукариотических клеток и отсутствует в более простых клетках, таких как бактерии. Но ряд новых открытий опроверг эту идею.
Новые исследования биохимиков Мичиганского университета Урсулы Якоб и Питера Фредолино показывают, что взаимодействие между ДНК-связывающими белками и древней молекулой под названием полифосфат помогает включать и выключать гены бактерий в широком масштабе. Эти открытия не только дают ученым больше информации о базовой биологии таких организмов, но и могут помочь исследователям точно настроить генно-инженерные бактерии для биотехнологий и даже способствовать созданию новых антибиотиков.
"Бактерии несут в себе семена своего собственного разрушения, и мы, возможно, сможем устранить систему подавления, которая сдерживает это разрушение", - говорит Фредолино.
Давно известно, что эукариотические клетки используют несколько уровней регуляции, контролируя, какие гены активны и сколько того или иного белка производит каждый из них. Бактериальная ДНК, с другой стороны, обычно изображалась в учебниках как длинный кусок инертной нити, ожидающей транскрипции. Это представление начало рушиться в 1994 году, когда было обнаружено, что химическая метка, называемая метильной группой, может блокировать транскрипцию у бактерий - то, что, как считали ученые, характерно исключительно для эукариотических клеток.
Затем выяснилось, что эукариотические клетки прикрепляют химические метки к белкам, называемым гистонами, чтобы скрыть части генома. В прошлом году лаборатория Фредолино показала, что бактерии используют аналогичную стратегию: исследователи определили 200 областей в геноме Escherichia coli, которые заглушаются с помощью химических меток и структур, называемых нуклеоид-ассоциированными белками (NAPs).
В своем недавнем исследовании, опубликованном в журнале EMBO Journal, Фредолино продемонстрировал, что NAPs работают аналогичным образом для выключения определенных участков бактериального генома у отдаленно родственных видов E. coli и Bacillus subtilis. NAP действует как каркас, вокруг которого оборачивается часть ДНК, делая физически невозможным доступ белковых механизмов клетки к генам в этой части. Этот эффект критически важен для бактерий: он позволяет им блокировать фрагменты внешней ДНК и вирусы, пробравшиеся в бактериальный геном, и отгораживать редко используемые гены, когда они не нужны.
Однако NAPs не работают в одиночку. Чтобы определить, что заставляет их выключать участки ДНК, Фредолино и Якоб обратили внимание на полифосфат. Эта молекула использовалась для хранения энергии на ранних стадиях развития жизни на Земле и выполняет множество функций в клетках. В 2020 году Якоб обнаружил, что мутантные E. coli, не способные синтезировать полифосфат, проявляют большую активность в генах, поглощаемых извне клетки, и что эта активность играет ключевую роль в гибели клеток при повреждении ДНК.
В статье в журнале Science Advances Якоб и Фредолино показали, что отрицательно заряженный полифосфат связывается с положительно заряженными NAPs с помощью процесса, называемого жидкостно-жидкостным фазовым разделением, при котором сверхплотные группы белков конденсируются в крошечные капельки. По мере того, как все больше и больше полифосфата присоединяется к NAPs, обычно разрозненная структура полифосфата, NAPs и ДНК становится упорядоченной. Подобно тому, как капли масла могут формироваться даже в хорошо перемешанном винегрете, капли белка, ДНК и полифосфата могут сливаться в бактериальных клетках - и это блокирует части генома от транскрипции. Этот процесс не нуждается в дополнительных белках-помощниках, и его можно обратить вспять при снижении уровня полифосфата.
Эти исследования - важный шаг в понимании бактериальной эпигенетики, говорит биохимик Лейденского университета Ремус Даме, который не принимал участия в обоих исследованиях. "Есть все основания полагать, что глобальная структура, в которую встроены эти гены, диктует их активность", - говорит он. "Это действительно что-то очень новое - и очень актуальное - что означает, что мы должны по-другому взглянуть на интересующую нас систему".
Фредолино рассказывает, что когда его коллеги, занимающиеся биотехнологиями, впервые узнали об этих результатах, они начали использовать эти знания для вставки сконструированных генов в те места бактериального генома, которые оптимизируют производство белка. По его словам, с тех пор этот процесс прошел путь от "скрещивания пальцев и надежды на лучшее" до надежной стратегии, которая срабатывает почти всегда.
В Массачусетском технологическом институте биохимик Питер Дедон изучает, как ученые могут создавать новые антибиотики, используя эти механизмы. Работы его лаборатории (и других по всему миру) показывают, что бактерии включают и выключают гены, чтобы помочь заразить хозяев и противостоять антибиотикам. Дедон мечтает о небольшой молекуле, которая могла бы вмешиваться в этот процесс и держать выключенными инфекционные характеристики бактерии или гены резистентности к антибиотикам; или еще один вариант - нарушить способность полифосфата связываться с NAPs. Это не убьет бактерии окончательно, но сделает их менее способными вызывать заболевания и более восприимчивыми к атакам иммунной системы. "В этом есть большой потенциал", - говорит Дедон.
"Это целый новый мир мишеней для антибиотиков".
Бактериальная эпигенетика является отличным объектом для разработки антибиотиков, говорит Якоб, поскольку ее механизмы являются общими для многих видов бактерий, но используют принципиально иные белки, чем эукариотические клетки. Это означает, что исследователи могут целенаправленно воздействовать на бактериальные белки и не вмешиваться в собственные эпигенетические процессы организма, говорит Якоб: "Это способ предотвратить заболевание без необходимости убивать клетку".
