Учёные открыли новый способ создания ДНК — без шаблона из нуклеиновых кислот

В основе всей жизни на Земле лежит ДНК — молекула, хранящая генетическую информацию. Чтобы создать новую ДНК, клетки обычно используют существующую цепочку как шаблон. Иногда обратные транскриптазы могут синтезировать ДНК на основе РНК — это трюк, который используют ретровирусы. Но в любом случае в процессе участвует нуклеиновая кислота. Однако недавнее открытие учёных из Колумбийского университета под руководством биохимика Сэмюэла Штернберга показывает, что природа нашла совершенно иной путь.

Необычная система защиты бактерий

Исследователи изучали систему защиты бактерий от вирусов, известную как DRT3, в бактериях Escherichia coli. Эта система является частью иммунного ответа, но механизм её работы долгое время оставался неясным. Учёные выяснили, что в системе задействованы два фермента — обратные транскриптазы DRT3a и DRT3b. Они действуют независимо друг от друга и по-разному.

DRT3b использует белок как шаблон для создания повторяющейся последовательности ДНК. Это означает, что информация, записанная в аминокислотах, определяет информацию в ДНК. Это противоречит центральной догме молекулярной биологии, согласно которой информация передаётся от ДНК к РНК и затем к белку, а не наоборот.

Как это работает

Когда учёные с помощью криоэлектронной микроскопии рассмотрели структуру фермента DRT3b, они заметили нечто удивительное. Две аминокислоты в активном центре фермента фактически выступали в роли шаблона: одна способствовала включению аденина (А), другая — цитозина (С). В результате фермент создавал простую повторяющуюся цепочку ДНК с последовательностью C-A-C-A-C-A.

Сэмюэл Штернберг объясняет: «В прямом смысле информация в аминокислотной последовательности белка переводится в последовательность ДНК. Это совершенно иной поток биологической информации, чем мы обычно представляем».

Самоуничтожение ради защиты

В то же время второй фермент, DRT3a, создаёт другую цепочку ДНК более традиционным способом — используя РНК в качестве шаблона. Две цепочки затем спонтанно объединяются, образуя двухцепочечную ДНК. Обычно две цепочки ДНК не создаются независимо: существующая цепочка служит шаблоном для создания новой. Здесь каждая цепочка создаётся отдельно, одна на основе РНК, другая — на основе белка. Но это не просто игра природы. Вся система — хитроумный механизм защиты от вирусов.

В нормальных условиях фермент RecBCD постоянно разрушает ДНК, произведённую DRT3, предотвращая её накопление. RecBCD также уничтожает вирусную ДНК. Некоторые вирусы вырабатывают белки, которые отключают RecBCD. Тогда DRT3 начинает активно синтезировать ДНК. По мере накопления этой аномальной ДНК бактерия перестаёт расти, и вирус не может эффективно размножаться. Клетка жертвует собой ради спасения популяции.

Эволюция продолжает удивлять

Открытие демонстрирует, как эволюция может находить неожиданные решения, используя знакомые молекулярные строительные блоки. Как отмечает Штернберг, «это замечательный пример того, насколько изобретательной может быть эволюция с очень знакомыми молекулярными блоками».

Исследователи подозревают, что подобные механизмы могут встречаться не только у E. coli. «Я сомневаюсь, что DRT3b — единственный фермент, способный на такой нетрадиционный синтез ДНК. Было бы удивительно, если бы природа изобрела это только один раз», — говорит Штернберг.

Исследование опубликовано в журнале Cell.