Бактериофаги имеют специализированные ферменты для создания генов с альтернативными нуклеотидными основаниями.
На Земле можно найти "чужие" геномы. Некоторые бактериофаги используют альтернативный генетический алфавит, который отличается от кода, используемого почти всеми другими организмами, и недавно две группы исследователей попытались выяснить, как работает эта система. Исследования, проводившиеся более четырех десятилетий, показывают, как десятки бактериофагов записывают свои геномы с помощью химического основания, называемого 2-аминоаденин, сокращенно Z, вместо аденина - буквы А в учебниках по генетике.
"Ученые давно мечтают увеличить разнообразие нуклеотидных оснований. Наша работа показывает, что природа уже придумала, как это сделать", - пишет Сувэнь Чжао, специалист по вычислительной биологии из Шанхайского технологического университета в Китае в статье, опубликованной 29 апреля в Science, где показано, как создается Z-ДНК. Исследователи из Франции описали аналогичные открытия в паре статей в том же журнале.
По словам биолога Стивена Беннера, основателя Фонда прикладной молекулярной эволюции в Алачуа, штат Флорида, эта работа является основополагающей, он сравнивает ее с открытием американским микробиологом Карлом Везе архей - новой ветви одноклеточной жизни. "Это первое открытие "теневой биосферы" с тех пор, как Везе открыл археи полвека назад".
Усилитель связей
Советские ученые первыми обнаружили Z-ДНК в конце 1970-х годов в фаге S-2L, инфицирующем фотосинтезирующие бактерии. Они столкнулись со странным поведением ДНК фага - ее две спиральные нити почему-то расщеплялись. Связь, которая образуется между основаниями G и C, разрушается при более высокой температуре, чем связь между A и T, и ДНК фага вела себя так, как будто она состояла в основном из G и C. Но дальнейший анализ, проведенный советской лабораторией, показал, что фаг заменил A на Z, который образовал более прочную связь с T.
"Это выглядело как нечто трансгрессивное", - говорит Филипп Марльер, изобретатель и генетик из Университета Эври, Франция, который возглавлял одно из научных исследований. "Почему этот фаг имеет это особое нуклеотидное основание?".
Последующие исследования показали, что более мощный геном S-2L был устойчив к ферментам, разрушающим ДНК, и другим средствам защиты от фагов, которые используют бактерии. Но исследователи не знали, как работает система Z-ДНК и распространена ли она. Z-ДНК - это лишь одна из множества модификаций, известных в ДНК фагов.
Чтобы ответить на эти вопросы, группа под руководством Марльера и Пьера-Александра Камински, биохимика из Института Пастера в Париже, в начале 2000-х годов секвенировала геном фага. Они обнаружили ген, который потенциально участвует в одном из этапов создания Z-ДНК. Но в то время обнаруженная последовательность не имела аналогов в геномных базах данных, и попытки исследователей понять основу Z-ДНК зашли в тупик.
Марльер и его коллеги запатентовали геном S-2L, но при этом обнародовали его, и продолжили изучать геномные базы данных. Наконец, в 2015 году команда добилась успеха: фаг, инфицирующий бактерии рода Vibrio, содержал ген, который совпадал с участком генома S-2L. Ген кодировал фермент, похожий на тот, который бактерии используют для получения аденина. "Это был волнительный момент", - говорит Марльер.
В 2019 году группа Чжао нашла аналогичные совпадения в базе данных. Обе группы ученых показали, что все фаги имеют ген PurZ. Он кодирует фермент, который играет начальную, но решающую роль в создании нуклеотида Z из молекулы-предшественника, присутствующей в бактериальных клетках. Затем они идентифицировали дополнительные ферменты, закодированные в геномах бактерий, которых инфицируют фаги, и которые заканчивают этот механизм.
Но ключевой вопрос оставался открытым. Ферменты, которые идентифицировали исследовательские группы, производили исходный ингредиент для Z-ДНК - молекулу dZTP - но это не объясняло, как фаги вставляют эту молекулу в нити ДНК, исключая при этом основания A (в виде химического вещества dATP).
Здесь выводы ученых несколько отличались. Наряду с PurZ в геноме фага Vibrio находится ген, который производит фермент полимеразу, копирующий нити ДНК. Марльер и Камински обнаружили, что полимераза фага встраивает dZTP в ДНК, вырезая при этом все основания A. "Это объяснило нам, почему А были исключены", - говорит Камински. "Это было действительно впечатляюще".
Но Чжао считает, что это еще не конец истории. Ее работа предполагает, что необходим другой фермент фага, который расщепляет dATP, но сохраняет dZTP внутри клеток. Ее сотрудники обнаружили, что увеличение уровня dZTP по сравнению с уровнем dATP достаточно, чтобы обмануть собственную полимеразу клетки и заставить ее создавать Z-ДНК.
Недостающие звенья
"Мы многого не знаем, - говорит Чжао. Неясно, как хозяева не допускают Z в свою ДНК. Также не ясно, как клеточный механизм, считывающий ДНК для создания белков, справляется с Z-ДНК, которая образует двойную спираль, по форме немного отличающуюся от обычных молекул ДНК. Также не до конца понятно, как происходит копирование Z-ДНК (процесс, который может потребовать специализированных ферментов в дополнение к полимеразе), добавляет Камински. "Мы до сих пор не знаем, как работает вся эта система".
По словам Дэвида Данлапа, биофизика из Университета Эмори в Атланте, штат Джорджия функциональность ферментов хозяина может быть улучшена или нарушена при работе с Z-ДНК. Открытие большего числа фагов с Z-ДНК и генов, участвующих в создании молекулы, должно помочь исследователям понять, как фаги извлекают выгоду из ее использования.
По словам Чжао, наличие этих генов может ускорить потенциальное применение Z-ДНК, поскольку ее легче и дешевле производить.
Устойчивость Z-ДНК может сделать зарождающуюся технику хранения данных ДНК более стабильной и долговечной. Наномашины, сделанные из точно выстроенной Z-ДНК - известные как ДНК-оригами - могут быстрее принимать нужную форму.
Французская группа работает над включением молекулы в бактериальные геномы. "У нас есть клетки E. coli, в которые внедряется "Z". Это не настолько токсично, как я опасался", - говорит Марльер.
Беннер, чьи исследования расширили генетический алфавит, включив в него несколько искусственных оснований ДНК, надеется, что новые открытия заставят ученых осознать силу изменения генетического алфавита. "Тот факт, что природа сделала небольшой шаг в том же направлении, может стать интеллектуальным кофеином, необходимым для того, чтобы молекулярно-биологическое сообщество поняло, что ДНК можно улучшить, причем с пользой для дела", - говорит он.
