ДНК состоит из четырех строительных блоков: A, C, T и G. Но некоторые бактериофаги меняют A на Z
Некоторые вирусы, убивающие бактерии, излагают свои генетические инструкции в другом алфавите ДНК.
Более 40 лет назад российские ученые сообщили, что тип бактериофага, называемый цианофагом S-2L, заменяет строительный блок ДНК аденин, широко известный как А, на 2-аминоаденин, обозначаемый Z. Но нет. было известно, как фаг перешел от А к Я или почему.
После десятилетий раздумий две независимые группы ученых обнаружили, как вирусы создают и встраивают Z в свои генетические инструкции, и одна из причин, по которой они это делают, сообщают группы в трех исследованиях в журнале Science от 30 апреля..
Выводы имеют отношение к происхождению жизни на Земле, поиску жизни на других планетах и многочисленным потенциальным применениям в биомедицине, синтетической биологии, материаловедении и вычислительной технике, говорит Фаррен Айзекс, молекулярный и синтетический биолог из Йельского университета, соавтор комментария в том же номере журнала Science. «Это действительно фундаментальное открытие».
В 1990-х годах Филипп Марльер, ксенобиолог, тогда работавший в Институте Пастера в Париже, «искал примеры, отличающиеся от жизни, какой мы ее знаем», когда наткнулся на российское исследование 1977 года, описывающее цианофагов. с необычной ДНК. Получив образец вируса, Марльер и его коллеги расшифровали полный набор генетических инструкций фага, или геном.
В геноме вируса исследователи обнаружили инструкции по созданию фермента, называемого PurZ, который может выполнять первый шаг в создании Z, также известного как диаминопурин. Институт Пастера подал патент на фермент на имя Марльера в 2003 году.
С ферментом в руках «стало кристально ясно, как производится Z, но мы не [проводили] никаких экспериментов, чтобы доказать свою правоту», - говорит Марльер, ныне президент Европейского Синдикат синтетических ученых и промышленников в Берлине. Проект был остановлен по разным причинам.
Исследователи не публиковали свои выводы до сих пор, отчасти потому, что PurZ не был тем ферментом, который искал Марльер. Вместо этого, по его словам, он надеялся найти другой фермент, полимеразу, которая отвергла бы аденин и вместо этого построила бы ДНК с Z вместо него. «Я был очень, очень разочарован, - говорит он, - потому что полимераза, которую я жаждал, не могла быть обнаружена в этом фаге.”
Действительно, полимераза этого фага - не то, что он искал. Сотрудник Марльера Пьер Александр Камински и его коллеги обнаружили, что полимераза цианофага S-2L не требовательна к использованию A или Z. Вместо этого другой вирусный фермент, называемый DatZ, разрушает строительные блоки аденина, не оставляя полимеразе другого выбора, кроме как использовать Z, биохимика Камински. в Институте Пастера и коллеги сообщили 23 апреля в Nature Communications.
Периодически Марльер искал в генетических базах данных другие фаги, которые имеют PurZ и могут содержать неуловимую придирчивую полимеразу. Затем, примерно четыре года назад, он говорит: «У меня есть результаты. Дынь, дынь, дынь! И мне попался не один. Я получил 12. И бинго, рядом с этим геном PurZ был, знаете что, ген полимеразы. Ага!"
Исследователи сообщают, что все бактериофаги Siphoviridae, которые заражают широкий спектр бактерий, имеют версии полимеразы, называемой DpoZ, которые предпочтительно вставляют Z вместо A в ДНК вирусов. Марльер подала патент на фермент.
Чем связь ДНК Z-T отличается от более стандартной связи A-T
Стандартное основание ДНК аденин, известное как А (слева), соединяется со своим партнером тимином, известным как Т (справа), через две водородные связи (оранжевые).
Основание 2-аминоаденина, также называемое Z (слева), имеет на одну аминогруппу больше (NH2, красный), чем аденин. Это добавление позволяет Z образовывать дополнительную водородную связь (оранжевую) с тимином, что делает пару Z-T более стабильной, чем пары A-T.
Альтернативный алфавит может использоваться гораздо шире, чем считалось ранее, говорит Хуимин Чжао, биолог-синтетик из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. Он вспоминает, что впервые услышал о бактериофаге, использующем Z-содержащую ДНК, на званом обеде несколько лет назад. Не зная, что французские ученые все еще работают над загадкой, он также провел поиск в базах данных и нашел 60 бактериофагов, содержащих PurZ, включая фаги из семейств Siphoviridae и Podoviridae. Его команда также разработала биохимический путь, который используют фаги для производства и включения Z, и обнаружила ферменты, разлагающие A.
Только потому, что у фагов есть ферменты, они не обязательно используют Z в своей ДНК. Поэтому Чжао и его коллеги из Китая выбрали фаг под названием SH-Ab 15497, который заражает бактерии Acinetobacter, и подтвердили, что в его ДНК-алфавите также есть Z вместо A, сообщает его команда.
Замена на Zs
Почему фаги возятся с нетрадиционной ДНК, было до сих пор неизвестно. Одна из гипотез состоит в том, что замена A на Z является контрмерой против бактериальных защитных ферментов, известных как ферменты рестрикции, которые расщепляют ДНК от вторгшихся фагов. Такие ферменты с трудом распознают и разрезают ДНК, содержащую Z-основания, обнаружили Чжао и его коллеги. «Фаг пытается избежать уничтожения хозяином», - говорит он. «Это действительно защитный механизм для фага».
Это также является частью нескончаемой гонки вооружений между фагами и бактериями, говорит Стивен Беннер, химик и астробиолог из Фонда прикладной молекулярной эволюции в Алачуа, штат Флорида. Возможно, что другие фаги, использующие Z или другие альтернативные основания ДНК все еще могут существовать. «Мы упустили из виду эту форму жизни на Земле, потому что наши молекулярные инструменты не позволяли нам ее искать», - говорит он. «Эти ребята обнаружили целую биосферу, которой не было в нашем инвентаре».
Спорный вопрос о том, являются ли Z-содержащие фаги новыми формами жизни (не говоря уже о продолжающихся спорах о том, живы ли вирусы), говорит Флойд Ромесберг, биолог-синтетик из глобальной фармацевтической и биотехнологической компании Sanofi. в Ла-Хойя, Калифорния. Но, по его словам, это открывает новые возможности для того, чем жизнь является, была и может стать.
«Жизнь не совсем такая, какой мы ее себе представляли. Жизнь не обязательно должна быть GTAC», - говорит он, имея в виду четыре буквы стандартного ДНК-алфавита. «Это говорит о том, что жизнь может быть более разнообразной».
Осознание этого может повлиять на поиски жизни на других планетах (SN: 18.04.16). Ученые часто предполагают, что им следует искать гуанин, тимин, аденин и цитозин - основы ДНК, какими мы ее знали до сих пор. Но, возможно, вместо этого исследователям следует искать 2-аминоаденин, основание Z, говорит Беннер.
В конце концов, Z образует три водородные связи с тимином вместо двух водородных связей, которые удерживают вместе пары оснований A-T. По его словам, это делает спаренную ДНК Z-T более стабильной и потенциально способной выдерживать более жаркие и суровые условия, чем обычная ДНК.
Бактериофаг SH-Ab 15497 (показан на этой электронной микрофотографии), инфицирующий Acinetobacter baumannii, заменяет A на Z в своем геноме. Буквенный переключатель помогает вирусу уклоняться от бактериальных ферментов, которые могут разрушить ДНК фага. Ю. Хуа и др. / Frontiers in Microbiology 2017
С дополнительной стабильностью можно задаться вопросом, почему все организмы на Земле не используют Z. Стабильность - это еще не все, говорит Ромесберг. ДНК должна быть раскручена и разделена на части, чтобы ее можно было скопировать. Это может быть сложнее сделать с парами оснований Z-T. Z также изменяет то, как изгибается и изгибается ДНК, что, возможно, затрудняет упаковку в тесные пространства, как это может делать генетический материал, содержащий A. Это может сделать А более привлекательным для других организмов.
Или, возможно, это была просто случайность, что А появился первым. Как только клетки начали использовать эту основу, слишком многое должно было измениться, чтобы полностью переключиться на другую основу, говорит Ромесберг, который много лет работал над тем, чтобы заставить бактерии включать экзотические основания ДНК (SN: 5/7/14).