На нашей планете обитает бесчисленное множество бактерий и других неразличимых глазом микроорганизмов, однако первое место по численности принадлежит не им. Намного меньших по размеру вирусных частиц бактериофагов (или просто фагов) на Земле в 5–10 раз больше, чем всех бактериальных клеток вместе взятых.
Быстрая эволюция бактериофагов и высокая скорость их размножения выступают главными факторами развития у бактерий механизмов устойчивости к этим вирусам. В процессе длительного взаимного приспособления (коэволюции) фага и хозяина у них сформировались сложные и специфичные стратегии «нападения и защиты». Одна из них — система рестрикции-модификации. Анализ геномов показал, что такие есть у 83% всех известных бактерий.
Рассмотрим подробнее, как бактерии защищают свой геном от бактериофагов с помощью систем рестрикции-модификации. Существуют различные типы этих систем ферментов. Первый тип представляет собой комплекс, который выполняет сразу две функции: расщепления и модификации чужеродной ДНК. Механизм действия входящих в него белков включает специфическое связывание с сайтом узнавания на двухцепочечной ДНК и последующую транслокацию — перемещение фермента вдоль цепи ДНК, которое требует затраты энергии в форме АТФ. Затем такие белки расщепляют нуклеиновую кислоту в случайном месте.
Второй тип включает в себя отдельные ферменты, каждый из которых берет на себя отдельную функцию — расщепление или модификацию. Эндонуклеазы («режущие» нуклеиновую кислоту ферменты) этого типа зачастую представляют собой димеры (комплекс из двух молекул) или тетрамеры (из четырех). Они «надрезают» ДНК в строго определенной позиции рядом с участком узнавания.
Ферменты третьего типа представляют собой гетеротримерные комплексы (из трех белков) или гетеротетрамерные (из четырех), которые совмещают в себе функции рестрикции и модификации. Подобные ферменты распознают асимметричные последовательности и расщепляют ДНК лишь при наличии двух участков узнавания с противоположной ориентацией.
Помимо трех описанных типов исследователи также рассмотрели еще две близкие системы. Это BREX-система I типа, которая напоминает классическую систему рестрикции-модификации, а также система «адаптивного иммунитета» бактерий CRISPR-Cas (активно используется для генного редактирования).
Белки антирестрикции противодействуют рестрикции-модификации и часто встречаются в мобильных генетических элементах («прыгающих генах»), это не только фаги, но и плазмиды и транспозоны. Такие системы повышают вероятность сохранения всех трех этих типов генетических элементов в клетке и способствуют успешному началу инфекционного процесса.
Сюда относятся ДНК-миметики — белки, которые используют фаги и которые «притворяются» ДНК. Они зарекомендовали себя как эффективные инструменты для избирательного ингибирования тех белков, которые узнают и связывают ДНК. Механизм их действия основан на способности имитировать структуру нуклеиновой кислоты и блокировать активные центры «ошибшихся» белков.
Классические примеры — белки ArdA и Ocr, которые своей формой и электростатическим зарядом имитируют ДНК. Ген, кодирующий белок Ocr, первым из генома бактериофага включается при попадании в бактерию, выключая ее «оборону». Схожие с ardA гены обнаружены во многих других бактериальных геномах.
Иначе устроены механизмы функционирования гена ardB. Его белковый продукт не имитирует структуру ДНК и по форме не похож на вытянутые белки Ocr и ArdA — белок скорее напоминает тетраэдр. Показано, что ведущую роль в антирестрикционной функции ArdB играет остаток аспартата и еще несколько отрицательно заряженных аминокислот на C-конце белка.
Далее ученые из лаборатории молекулярной генетики МФТИ описали перспективы для использования ДНК-миметиков типа ArdA в качестве высокоточных инструментов для управления внутриклеточными процессами, включая экспрессию генов. Более того, локализация в геноме некоторых генов ArdA говорит о том, что такая регуляция происходит в природе. Недавние исследования подтвердили, что эти гены способны «отключать» защитные системы рестрикции-модификации при встраивании в хромосомы бактерий Agrobacterium tumefaciens, Pseudomonas monteilii и Xanthomonas sp.
Обычно белки ArdA состоят из двух частей: «хвоста» (С-конец), который имитирует собой ДНК, и «головы» (N-конец) — ее роль пока не ясна. Раньше ученые думали, что именно «хвост» помогает белку выбирать нужную мишень среди защитных систем бактерии. Однако новые исследования научной группы под руководством заведующего лабораторией молекулярной генетики МФТИ Ильи Манухова опровергли мнение о том, что такой белок должен обязательно быть крупным.
Оказалось, что самые короткие белки могут точно связываться со своими мишенями на ДНК. В МФТИ нашли и изучили два крошечных гена, похожих на ardA. Из-за их маленького размера (почти в два раза меньше обычных) их выделили в самостоятельные группы. Такие белки могут имитировать оба конца своего крупного родственника (N-конец или C-конец) и избирательно подавлять рестрикцию, что делает их особенно перспективными для решения практических задач.
ДНК-мимикрирующие белки могут быть полезны в медицине — для диагностики и лечения, например путем ингибирования определенных ферментов внутри клеток.
«Каноническая функция белков антирестрикции заключается в поддержании чужеродной ДНК в клетке путем блокировки ее систем защиты. Наша работа обобщает данные по ранее изученным антирестрикционным белкам и представляет наши новые результаты. Мы выявили беспрецедентно короткие антирестрикционные белки sArdA, относящиеся к двум новым семействам. Благодаря свойствам ДНК-миметиков эти белки открывают перспективы точной регуляции экспрессии генов. Такие инструменты обещают широкое применение в диагностике и терапии заболеваний, метаболической инженерии, а также синтетической биологии», — подчеркнула Анна Уткина, сотрудник лаборатории молекулярной генетики МФТИ.
Обзор опубликован журнале «Генетика».