Термофильный вирус помог разгадать секрет плотной упаковки большого генома
Биологи из Великобритании, России и США воспроизвели in vitro сверхплотную упаковку ДНК в головке вируса-бактериофага, паразитирующего на экстремофильной бактерии из горячих источников Камчатки. При помощи криоэлектронной микроскопии ученые определили необычную структуру белковой капсулы, содержащей ДНК вируса, и объяснили, каким образом такая структура позволяет очень плотно упаковать большой геном вируса в капсид с высокой скоростью. Открытие, которое может послужить для усовершенствования технологий секвенирования ДНК, опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Бактериофаги — вирусы, поражающие бактерий, — состоят из хвоста и головки, куда упакован вирусный геном, представляющий собой двухцепочечную ДНК. Молекула ДНК упакована очень плотно и при инфекции «выстреливается» из белковой оболочки внутрь клетки. После стадии репликации ДНК нужно упаковать обратно в белковые капсулы- предшественники вирусных частиц, называемые капсидами. Этот процесс происходит внутри клетки с затратой энергии, однако его можно воспроизвести и in vitro, если смешать в пробирке пустые капсиды, ДНК, фермент, осуществляющий упаковку и источник энергии в виде молекул АТФ. Изучение процесса упаковки может потенциально послужить для разработки некоторых биотехнологических приложений, например, для эффективной доставки генов внутрь клеток или секвенирования ДНК.
В новой работе исследователи изучили структуру капсида бактериофага P23-45, который паразитирует на термофильной бактерии Thermus thermophilus. Эти бактерии живут в горячих источниках Камчатки при температуре около 70 градусов Цельсия. Это означает, что белковая оболочка бактериофага должна обладать повышенной стабильностью. Кроме того, P23-45 интересен тем, что его геном в два раза больше, чем геномы родственных вирусов с похожим принципом строения капсида.
Чтобы выяснить особенности строения капсида, позволяющие упаковать такой большой геном, ученые определили структуру оболочки с высоким разрешением при помощи криоэлектронной микроскопии. Оказалось, что капсид фага P23-45 отличается необычной белковой решеткой, которая позволяет увеличить размер частицы без увеличения количества типов субъединиц, необходимых для ее сборки, и соответственно увеличить емкость. Кроме того, авторы работы проанализировали структуру белка-«привратника», который находится у входа в капсид и помогает упаковать ДНК. Стоит отметить, что плотность упаковки ДНК внутри капсида приближается к плотности кристалла вещества.
«Эта структура может помочь усовершенствовать технологии прочтения ДНК, основанные на протягивании единичной молекулы через пору в мембране», — поясняет один из руководителей проекта, профессор Института микробиологии Ратгертса (США) и Сколковского института наук и технологий Константин Северинов. Кроме того, детальное представление об устройстве вирусного упаковочного аппарата может пригодиться для разработки технологий доставки молекул как ДНК, так и других веществ, внутрь клетки.
Криоэлектронная микроскопия все чаще приходит на смену более традиционным методам определения структуры молекул, таким как рентгеноструктурный анализ. За разработку этого принципа микроскопии в 2017 была вручена Нобелевская премия по химии, почитать об этом можно в нашем материале
.
Дарья Спасская
С помощью модуляции дофаминовой сигнализации
Американские ученые разработали аденоассоциированный вирусный вектор, который несет ген, кодирующий человеческий глиальный нейротрофический фактор (GDNF). Введение этого вектора макакам-резусам с симптомами алкоголизма снижало вероятность злоупотребления алкоголя в течение года. Как сообщается в журнале Nature Medicine, такое изменение в поведении сопровождалось нейрофизиологическими модуляциями дофаминовой сигнализации в прилежащем ядре, которая обычно страдает при хроническом употреблении алкоголя. Несмотря на то, что расстройства, связанные с употреблением алкоголя, наносят огромный экономический и социальный ущерб, существует лишь несколько эффективных фармакотерапевтических средств. При этом не существует подходов, которые бы непосредственно воздействовали на лежащие в основе адаптации нейронные контуры, которые формируются при длительном употреблением алкоголя и лежат в основе алкогольной зависимости. Команда ученых под руководством Кристофа Банкевича (Krystof Bankiewicz) из Университета штата Огайо исследовала, как на эти схемы мог бы повлиять глиальный нейротрофический фактор (GDNF), поскольку известно, что он принимает непосредственное участие в регуляции дофаминергических нейронов (они непосредственно связаны с развитием алкоголизма). Для этого авторы разработали аденоассоциированный вирусный вектор, который несет ген, кодирующий человеческий GDNF. Поскольку неспособность длительно отказываться от алкоголя и неспособность сократить количество потребляемого алкоголя выступают двумя основными проблемами у людей с алкогольной зависимостью, ученые смоделировали такое поведение у макак. Они многократно повторяли циклы ежедневного опьянения с последующим воздержанием от алкоголя. Когда необходимые паттерны поведения были достигнуты, макаки-резусы четыре недели пили воду вместо этанола. Затем каждой обезьяне в мозг вводили либо экспериментальный, либо контрольный вектор. Через два месяца макакам возобновили доступ к алкоголю на четыре недели. В общей сложности ученые шесть раз повторили циклы принудительного воздержания и повторного введения алкоголя, чтобы смоделировать подобные циклы. Экспериментальный вектор значительно снижал потребление алкоголя в периоды повторного введения алкоголя в течение года (р ≤ 0,001). Причем у макак из экспериментальной группы наблюдалось снижение максимальной дозы потребляемого алкоголя уже в первый день после абстиненции (р ≤ 0,0001). Магнитно-резонансная томография и гистологические исследования тканей мозга показали, что лечение вектором с GDNF восстанавливало дофаминергическую функцию в прилежащем ядре, которая обычно снижена в мезолимбической системе после хронического употребления алкоголя. Повышенная экспрессия GDNF увеличивала доступность и использование дофамина в пути вознаграждения макак до значений, сравнимых со здоровыми макаками. Это доклиническое исследование показывает возможность нового подхода к лечению алкоголизма — с помощью генной терапии. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение подробного профиля безопасности препарата у животных. Недавно мы рассказывали, что тягу к алкоголю (и другим веществам) можно зафиксировать с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии.