Бактерии могут создавать сами себе новые гены

Штамм бактерии Klebsiella pneumoniae — главной героини исследования. Kateryna Kon/ Shutterstock

Международная команда генетиков обнаружила новый метод редактирования генома, который используют бактерии, защищаясь от вирусов. Как показали ученые, бактерии могут создавать сами себе новые гены. Причем это очень странные гены.

Исраэль Фернандес, Мадридский университет Комплутенсе: «Это похоже на биологию инопланетных организмов»

Генетическая информация обычно распространяется в одном направлении: гены, сохраненные в ДНК, служат матрицей для создания молекул РНК, которые затем транслируются в белки. Эта аккуратная история из учебника немного усложнилась в 1970 году, когда ученые обнаружили, что у некоторых вирусов есть ферменты, называемые обратными транскриптазами, которые могут по своим РНК создавать ДНК и потом их встраивать в ДНК клетки-хозяина. Так делает, например, вирус иммунодефицита человека. Поэтому с ним так трудно бороться, — сохраняется при делении клетки.

Но в новой работе генетики описали совершенно неожиданный поворот классического сюжета.

Генетики обнаружили, что бактериальная версия обратной транскриптазы считывает РНК вируса как матрицу для создания совершенно новых генов и записывает их в ДНК. Эти гены затем уже в нормальном порядке транскрибируются в РНК, которая транслируется в защитные белки и защищает бактерии от вируса.

Вирусы, заражающие бактерии, или бактериофаги, немного похожи на шприцы.
Design Cells, iStock

«Это сумасшедшая молекулярная биология», — говорит Од Бернхейм, биоинформатик из Института Пастера в Париже, не принимавшая участия в исследовании. «Я бы никогда не догадался, что существует такой тип механизма».

Превзойти CRISPR

Бактерии отбиваются от вирусов и других захватчиков, используя множество средств защиты, таких как мощная система редактирования генома CRISPR. Одна из наиболее загадочных защитных систем бактерий содержит ген ДНК обратной транскриптазы и короткий участок загадочной РНК без какой-либо четкой функции: последовательность, похоже, не кодирует никакой белок.

Чтобы выяснить, как работает эта защитная система, группа под руководством молекулярного биолога Стивена Танга и биохимика Сэмюэля Штернберга из Колумбийского университета в Нью-Йорке искала молекулы ДНК, образованные обратной транскриптазой бактерий под названием Klebsiella pneumoniae. Ученые обнаружили очень длинные последовательности ДНК, состоящие из множества повторяющихся сегментов. Каждый сегмент соответствовал участку загадочной РНК.

Бактериофаги, инфицирующие бактерию

Петля, еще петля

Чтобы объяснить этот процесс, авторы отмечают, что длинные нити РНК могут образовывать шпилькообразные формы, приближая два отдаленных фрагмента друг к другу. Исследователи обнаружили, что обратная транскриптаза K. pneumoniae совершала повторяющиеся «круги» вокруг последовательности РНК, которая закручивалась, как шнурок, много раз записывая одну и ту же молекулу РНК в ДНК. Это и создало повторяющуюся последовательность ДНК.

Повторяющиеся сегменты создали последовательность, кодирующую очень странный белок, синтез которого не должен заканчиваться — его мРНК не содержит стоп-кодона. Исследователи назвали эту последовательность Neo. Ученые обнаружили, что вирусная инфекция запускает выработку белка Neo, который останавливает деление клетки.

Как Нео останавливает деление инфицированных клеток, пока неясно, говорят исследователи. Предсказанная трехмерная структура части Neo варьируется в зависимости от того, какая часть ее РНК транслируется. Предполагается, что она образует серию спиралей. По словам Бернхайма, также остается загадкой, как именно вирусная инфекция запускает создание белка Neo. «Это мне очень хотелось бы узнать», — сказал ученый.

Другая жизнь

Открытие того, что обратная транскриптаза может создавать совершенно новые гены, произвело сильное впечатление на других исследователей. «Это похоже на биологию инопланетных организмов», — написал на X Исраэль Фернандес, компьютерный химик из Мадридского университета Комплутенсе.

«Их результаты были ошеломляющими», — говорит Николас Торо Гарсиа, молекулярный биолог из экспериментальной исследовательской станции Заидин Испанского национального исследовательского совета в Гранаде, Испания. Он должен помочь исследователям в разработке биотехнологических приложений для этой системы.

Оценивая результаты работы Штернберг говорит: «Это должно изменить наш взгляд на геном».