Ученые исследовали бактериальный вирус, у которого одна из «букв» генетического кода заменена на необычную, не встречающуюся у других организмов. Авторы работы, опубликованной в Science, описали ферменты, которые позволяют фагу синтезировать необычный нуклеотид, а также показали, что на самом деле бактериальные вирусы куда чаще, чем казалось, заменяют аденин на диаминопурин, чтобы защититься от атаки защитного механизма бактериий.
Замена аденина (А) на диаминопурин (Z) в геноме цианофага (вируса, поражающего цианобактерии) S-2L была описана еще в 1977 году. Диаминопурин образует три водородные связи с тимином. В отличие от других способов модификаций ДНК, замена А на Z – необычная альтернатива, которая изменяет физические, химические и механические свойства двухцепочечной ДНК. Интересно, что диаминопурин можно найти в метеоритах: есть вероятность, что это один из нуклеотидов, с некоторых началась жизнь.
Цианофаг S-2L долго оставался7 единственным организмом, для которого было известно, что в его геноме присутствует нуклеотид Z, но необходимые для биосинтеза диаминопурина ферменты еще не описаны. В геноме фага S-2L есть открытая рамка считывания с окном, кодирующим белок PurZ – гомолог аденилосукцинат синтетазы PurA из пути биосинтеза пуринов. PurA вместе с аденилосукцинат лиазой PurB способствует превращению инозин-5'-монофосфата (IMP) в аденозин-5'-монофосфат во многих организмах. Ученые предполагали, что PurZ участвует в схожих реакциях и обеспечивает фагов Z-нуклеотидами вместо А-нуклеотидов.
Группа ученых из Тяньцзиньского и Шанхайского Технологического университетов под руководством Яня Чжана (Yan Zhang) проверили эту гипотезу: они провели биоинформатический анализ и охарактеризовали фаговый белок PurZ.
Сначала гомологи активные центры PurZ из нескольких родственных фагов при помощи компьютерного моделирования сравнили с активным центром бактериального фермента PurA из Escherichia coli. Субстраты для PurA – IMP, гуанозин 5'-трифосфат (GTP) и аспаргиновая кислота. PurA способствует переносу фосфата с GTP на IMP, а фосфат в свою очередь заменяется на аспаргиновую кислоту, и в результате формируется аденилосукцинат. Одно из отличий в активных центрах PurZ и PurА – замена остатка аспарагиновой кислоты на остаток сериновой. Ученые предложили, что это отличие может менять и каталитический механизм. Кроме того, в PurZ по сравнению PurА заменен один из аргининов, который у PurА отвечает за связь с гидроксильной группой IMP: это указывает, что у PurZ в качестве субстрата – дезоксирибонуклеотид, а не рибонуклеотид.
Ученые инкубировали PurZ с его субстратами – дезоксигуанозин-5'-монофосфатом (dGMP), аденин-5'-трифосфатом (АТР) и аспаргиновой кислотой – и измерили, как изменяется абсорбция раствора в ультрафиолетовой части спектра. Этот эксперимент показал, что в присутствии фермента dGMP превращается в соединения, похожие по профилю абсорбции на 2-амино-2'-дезоксиаденин-5'-монофосфат (dZMP). С другими субстратами – IMP или гуанозин-5'-монофосфатом – такого эффекта не наблюдалось. Масс-спектрометрия с электроспрей-ионизацией показала, что инкубация PurZ с dGMP и другими субстратами приводит к образованию аденин-5′-дифосфата (ADP) и 2-аминодезоксиаденилосукцинат (ADAS).
Поскольку в геноме самого фага не закодирован фермент PurB или его гомологи, исследователи предположили, что промежуточный продукт – ADAS – превращается в dZMP под действием PurB хозяина (бактерии). Чтобы это проверить, ADAS инкубировали с PurB кишечной палочки. Под действием бактериального фермента действительно образовался dZMP.
Кроме того, ученые обнаружили, что в геном фага шифрует белки, которые способствуют гидролизу dATP и, соответственно, удалению аденина из пула доступных для синтеза ДНК нуклеотидов.
Авторы работы обнаружили последовательности, схожие с геном белка PurZ, еще в 60 фагах, большинство из которых относятся к семействам Podoviridae и Siphoviridae. Вероятно, тот факт, что модифицированные пурины так распространены в геномах фагов, мог оставаться незамеченным сейчас, в постгеномную эру, – ведь у исследователей нет необходимости узнавать подробный химический состав каждого отдельного нуклеотида.
Наконец, исследователи проверили, зачем бактериофагам понадобилось изменять свой геном таким образом. В целом, бактериофаги нередко так или иначе модифицируют свою ДНК, чтобы избежать ответного нападения со стороны «иммунной системы» бактрии-хозяина. Известно, что геномная ДНК бактериофага S-2L может противостоять действию многих рестрикционных ферментов. Чтобы подтвердить, что все геномы с заменой А на Z также менее подвержены действию рестриктаз, ученые провели эксперименты с геномом фага SH-Ab 1549, а также с продуктами ПЦР-реакции, в которой диаминопурин использовался вместо аденина. Последовательности оказались нечувствительны к действию всех рестриктаз, которые узнают участки с одним или больше аденинов. Напротив, рестриктазы, которые узнавали только гуанин и цитозин смогли также хорошо разрезать молекулы ДНК, содержащие диаминопурин. Таким образом, появление Z-нуклеотидов в геномах у некоторых фагов могло дать им эволюционное преимущество.
Ученые уже давно думают о том, чтобы расширить список используемых нуклеотидов для прикладных исследований. Исследователи даже создали полусинтетический организм, в геноме которого содержатся две дополнительные «буквы», а затем научили бактерии пользоваться зашифрованной таким образом информацией.
Вера Сысоева