У бактерій знайшли фермент, який здатен синтезувати ДНК на «шаблоні» зі власних амінокислот. Цей фермент знаходиться в комплексі, що допомагає бактеріям захищатися від фагів — вірусів, що уражають лише бактерії та археї. Його дія зворотна до того, як зазвичай відбувається синтез білка в живих організмах: від ДНК до РНК й амінокислотної послідовності. Дослідження опублікували в журналі Science.
Чому знахідка здивувала біологів?
Відколи молекулярні біологи відкрили структуру нуклеїнових кислот — ДНК і РНК — і білків, вони сперечалися щодо того, яка ж молекула є матрицею для синтезу всіх інших. Зрештою у 1958 році один із першовідкривачів структури ДНК, Френсіс Крік, сформулював «центральну догму» молекулярної біології: ДНК є шаблоном для синтезу різних типів РНК, а матрична РНК — основою для амінокислотної послідовності, з якої й складаються білки. У лабораторії також спостерігали синтез білків просто на основі ДНК — такі процеси, як вважають науковці, могли посприяти зародженню життя на ранній Землі.
Водночас синтез одного ланцюжка ДНК у переважної більшості земних організмів відбувається на основі іншого її ланцюжка — цей процес називають реплікацією. Деякі віруси, чий геном складається з РНК, мають ферменти, звані зворотними транскриптазами, що переписують інформацію з РНК на ДНК. Так вони вбудовуються в геном інших організмів, зокрема людей, який складається з ДНК. Зворотні транскриптази виявляли й у бактерій, які використовують ці ферменти для захисту від фагів. Але бактерії мають власну ДНК, тож досі було не до кінця зрозуміло, навіщо їм синтезувати ще одну на основі РНК. Щоб з’ясувати це, науковці Стенфордського університету провели нове дослідження.
Як працює синтез ДНК на основі білка?
Науковці зосередилися на бактеріальних зворотних транскриптазах, пов’язаних із захистом від фагів (defense-associated reverse transcriptases, DRTs). Серед них вони вивчали комплекс DRT3, що складається з двох ферментів-транскриптаз і короткої некодуючої РНК. Цей комплекс виявили в щонайменше 20 типів бактерій, зокрема в кишкової палички (Escherichia coli) — компонента людської мікробіоти кишківника та поширеного модельного організму в біологічних дослідженнях. Проаналізувавши склад клітин бактерій, які мають різні форми цього комплексу, науковці з’ясували, що він потрібен для синтезу коротких послідовностей ДНК із повторами пар нуклеотидів: гуанін-тимін (ГТ) та аденін-цитозин (АЦ).
Далі за допомогою кріоелектронної мікроскопії науковці вивчали, як саме відбувається синтез ДНК у цьому комплексі. Такий метод дозволив роздивитися будову комплексу з роздільною здатністю 2,6 ангстрема — це менше за діаметр деяких атомів. Дослідники з’ясували, що кожен комплекс DRT3 складається з шести субодиниць, у кожній із яких міститься одна некодуюча РНК та по одній зворотній транскриптазі типу Drt3a та типу Drt3b. Як виявилося, транскриптаза Drt3a синтезує одну нитку ДНК з ГТ-повторами на основі некодуючої РНК, як зазвичай і роблять зворотні транскриптази.
А от Drt3b замість шаблона з РНК використовує свою власну структуру. Пора, у яку мала б заходити некодуюча РНК, у цьому ферменті закрита. Натомість дві його амінокислоти — глутамінова кислота й аргінін — в активному центрі з’єднуються водневими зв’язками з аденіном і цитозином, чергуючи їх так, щоб утворилася нитка ДНК з АЦ-повторами. Потім обидві синтезовані нитки ДНК об’єднуються у дволанцюгову структуру.
Навіщо бактеріям така складна система та чим вона може бути корисною людям?
Науковці підтвердили, що активація комплексу DRT3 відбувається у відповідь на надходження в клітину білка фагів — ST61, тобто продукти роботи цього комплексу потрібні для захисту від фагів. Дослідники припускають, що короткі послідовності ДНК можуть слугувати як «губка», що притягує до себе фаги, що їх потім знешкоджують інші захисні системи. Але підтвердити це зможуть уже в наступних дослідженнях.
Оскільки у науці вже використовують інші бактеріальні захисні комплекси — наприклад, систему генетичного редагування CRISPR, яка походить від бактеріального ферменту, то виявлений комплекс також може знайти застосування в клітинній біології та медицині. Окрім цього, він розширює уявлення про те, як у живих організмах може зберігатися та передаватися генетична інформація, що важливо для боротьби з патогенами й вивчення раннього життя на Землі.
Які ще відкриття змінювали уявлення про роль ДНК і РНК
🏆 У 2024 році Нобелівську премію з фізіології чи медицини присудили за відкриття мікроРНК і їхньої ролі в регуляції роботи генів, хоча раніше ці фрагменти вважали неважливими.
🧠 Ген довгої некодуючої РНК виявився попередником гена, завдяки якому в людей виник великий мозок. Спершу він не мав жодної функції, але завдяки мутації посприяв формуванню мозку.
🧬 А всього одна невелика зміна в некодуючій ДНК мишей — додавання одного нуклеотиду чи видалення трьох — змінила їхню стать з жіночої на чоловічу.