Защитные системы бактерий меняют стандартное представление о жизни.
Генетическая информация обычно движется по улице с односторонним движением: гены, записанные в ДНК, служат шаблоном для создания молекул РНК, которые затем трансформируются в белки. В 1970 году эта история немного усложнилась, когда ученые обнаружили, что некоторые вирусы имеют ферменты, называемые обратными транскриптазами, которые переписывают РНК в ДНК - в противоположную сторону от обычного транспортного потока.
А сейчас ученые обнаружили еще более странный поворот событий. Бактериальная версия обратной транскриптазы считывает РНК как шаблон для создания совершенно новых генов, записанных в ДНК. Затем эти гены транскрибируются обратно в РНК, которая превращается в защитные белки, когда бактерия инфицируется вирусом. В отличие от них, вирусные обратные транскриптазы не создают новые гены, а просто переносят информацию с РНК на ДНК. "Это сумасшедшая молекулярная биология", - комментирует Ауде Бернхейм, биоинформатик из Института Пастера в Париже, которая не принимала участия в исследовании. "Я бы никогда не догадалась о существовании такого механизма".
Бактерии защищаются от вирусов и других захватчиков с помощью множества защитных механизмов, таких как система редактирования генов CRISPR. Одна из самых загадочных защитных систем содержит ген ДНК для обратной транскриптазы и короткий участок загадочной РНК без какой-либо четкой функции: похоже, эта последовательность не кодирует никакого белка.
Чтобы выяснить, как работает эта система, группа под руководством молекулярного биолога Стивена Танга и биохимика Сэмюэля Стернберга (оба из Колумбийского университета в Нью-Йорке) искала молекулы ДНК, созданные обратной транскриптазой бактерий Klebsiella pneumoniae. Были найдены очень длинные последовательности ДНК, состоящие из множества одинаковых повторяющихся сегментов. Каждый сегмент соответствовал фрагменту загадочной РНК.
Чтобы объяснить это, авторы статьи отмечают, что длинные нити РНК могут образовывать шпильки, сближая два удаленных друг от друга участка. Исследователи обнаружили, что обратная транскриптаза K. pneumoniae делала повторяющиеся "круги" вокруг последовательности РНК, которая наматывалась на себя, как шнурок, многократно переписывая одну и ту же молекулу РНК в ДНК. Таким образом, создавалась повторяющаяся последовательность ДНК.
Повторяющиеся сегменты образовали последовательность, кодирующую белок, которая называется открытой рамкой считывания. Исследователи назвали эту последовательность Neo (never-ending open), что означает "бесконечная открытая рамка считывания", поскольку в ней отсутствует последовательность, сигнализирующая о конце белка, и, следовательно, теоретически она не имеет предела. Затем они обнаружили, что вирусная инфекция запускает производство белка Neo, что приводит к остановке деления клеток. Результаты исследования, были опубликованы на сервере препринтов bioRxiv 8 мая.
Как Neo останавливает рост инфицированных клеток, пока неясно, говорят исследователи. Предсказанная 3D-структура части Neo - ее длина, вероятно, варьируется в зависимости от того, сколько РНК транслируется - предполагает, что она образует ряд спиралей. Эксперименты показали, что разрушение этих форм препятствует токсическому действию Neo. Как именно вирусная инфекция запускает процесс создания белка Neo, тоже остается загадкой, говорит Бернхейм. "Я сгораю от желания узнать это".
Открытие того, что обратная транскриптаза, которая ранее была известна только для копирования генетического материала, может создавать совершенно новые гены, привело других исследователей в замешательство.
"Это похоже на биологию инопланетных организмов",
- заметил Израиль Фернандес, химик из Мадридского университета. "Их выводы поразительны, - говорит Николас Торо Гарсия, молекулярный биолог из Национального исследовательского совета Испании, - и должны помочь ученым разработать биотехнологические приложения для этой системы. И это должно изменить наш взгляд на геном".
