Недавно открытая бактериальная защитная система бросает вызов центральной догме генетики.
Десятилетиями в учебниках по биологии закреплялось простое правило: ДНК создается путем копирования шаблона. После того как один фермент расщепляет двойную спираль ДНК на отдельные нити, другой, называемый полимеразой, создает комплементарную последовательность, основание за основанием, для каждой нити, и так - две копии исходной ДНК. Но новое исследование того, как бактерии защищают себя от вирусов, показывает, что это правило синтеза не является абсолютным. Недавняя статья в журнале Science описывает бактериальный фермент, который синтезирует ДНК без матрицы из нуклеиновых кислот, используя в качестве ориентира свою собственную структуру.
“Это новаторское исследование”, - считает биохимик Филип Кранзуш, изучающий защиту бактерий. “Довольно круто!” - добавляет Ади Миллман, специалист по вычислительной биологии из Массачусетского технологического института. По ее мнению, использование белка в качестве матрицы для синтеза ДНК “является значимым концептуальным сдвигом от классической центральной догмы”, согласно которой информация передается в одном направлении от нуклеиновых кислот, таких как ДНК, к белку. Ученые надеются, что новая форма синтеза ДНК может быть адаптирована в качестве инструмента для фундаментальных биологических исследований, подобно тому, как мощный редактор генома CRISPR был разработан на основе другой системы защиты бактерий.
При канонической репликации ДНК преобладают правила спаривания оснований: полимеразы собирают свою комплементарную цепь ДНК, сопоставляя аденин с тимином и гуанин с цитозином на матрице. Репликация также может происходить с использованием РНК в качестве матрицы благодаря полимеразам, называемым обратными транскриптазами, которые используют эту нуклеиновую кислоту для управления процессом создания одноцепочечной ДНК.
Новое открытие сосредоточено на DRT3, защитной системе, которая защищает бактерии от бактериофагов, которые их заражают. Исследователи обнаружили, что DRT3 обходит логику спаривания оснований. Он основан на двух обратных транскриптазах: обычной, которая строит одноцепочечную ДНК из матрицы РНК, и второй, необычной, которая собирает свой комплемент из собственной встроенной матрицы. Этот необычный фермент, называемый Drt3b, содержит в своем активном центре аминокислоты, которые имитируют цепочку матричной РНК. “Белок сам по себе служит основой для последовательности ДНК”, - поясняет старший автор исследования биохимик Алекс Гао. “Это было довольно неожиданно”, - говорит он. “Это принципиально новый способ, которым жизнь производит ДНК”.
DRT3, по-видимому, широко распространен среди бактерий, что позволяет предположить, что он не является биохимическим курьезом. Однако, как он борется с фагами до сих пор остается загадкой. По словам Гао, одна из возможностей заключается в том, что спирали ДНК, созданные с помощью этого уникального метода репликации, действуют как молекулярные губки, которые прилипают к компонентам фага, либо непосредственно препятствуя фагу, либо позволяя другим бактериальным иммунным элементам распознавать инфекцию. По мнению Кранзуша, если эта идея подтвердится, DRT3 дополнит недавние открытия полимероподобных белков в других системах бактериальной защиты, которые производят полимеры нуклеиновых кислот для обнаружения и подавления фаговой инфекции.
DRT3 также представляет собой еще одну захватывающую роль обратных транскриптаз, давно ассоциирующуюся с ретровирусами, такими как ВИЧ, которые используют одну из них для синтеза ДНК-копии своего РНК-генома и внедрения в хромосомы клетки. В последние годы было обнаружено, что эти ферменты играют ключевую роль в некоторых системах защиты бактерий CRISPR и в создании совершенно новых бактериальных генов. В настоящее время обратные транскриптазы ценятся как “высокоадаптируемые каркасы", которые неоднократно использовались для выполнения функций, выходящих за рамки репликации ДНК, говорит Гао.
Как и CRISPR, DRT3 может найти практическое применение. “DRT3 представляет собой молекулярную машину ”все в одном" для синтеза ДНК специфичной последовательности, что является редкой находкой в природе", - отмечает Гао. Drt3b производит определенную последовательность ДНК. По его словам, если бы ученые смогли придумать, как сконструировать его для получения других последовательностей, они могли бы создавать индивидуальные цепочки ДНК, например, для создания передовых биоматериалов, таких как ДНК-гидрогели.
В более широком смысле это открытие подчеркивает, как много еще скрыто в биологии микроорганизмов. DRT3, по словам Гао, следует рассматривать как “катализатор для пересмотра темной материи микробного мира”. А поскольку многочисленные бактериальные защитные системы до сих пор не изучены, добавляет Од Бернхайм, микробиолог из Института Пастера (Франция), “просто фантастично представить, что многие из них кодируют экзотические биохимические функции, подобные той, что была раскрыта здесь”.
