Научници открили необичан начин на који бактерија може да прави ДНК — без ДНК као шаблона

ДНК је, по својој природи, молекул информације. Када ћелија треба да направи њену копију, постојећи ланац ДНК служи као шаблон за изградњу новог. Код обрнуте транскрипције, коју користе неки вируси и други биолошки системи, улогу шаблона може да преузме РНК.

Сада су научници описали изузетно необичан механизам у коме се један ланац ДНК прави уз помоћ РНК, док се његов комплементарни партнер синтетише без иједног нуклеинског ланца као шаблона. Уместо њега, специфични делови протеина усмеравају који ће се нуклеотиди уграђивати у новонасталу ДНК.

Реч је о одбрамбеном систему бактерија познатом као ДРТ3, односно „дефенс-асоцираној реверзној транскриптази“ (defense-associated reverse transcriptase). Истраживачи су показали да овај систем користи две различите реверзне транскриптазе: ДРТ3а и ДРТ3б, које независно праве два комплементарна ланца ДНК, а затим се они спајају у дволанчани молекул.

ДНК се обично прави тако што постојећи ланац служи као шаблон

Да би се разумело зашто је ово откриће необично, потребно је подсетити се на основни принцип изградње ДНК.

ДНК се састоји од четири базе: аденина (А), цитозина (Ц), гуанина (Г) и тимина (Т). Оне се упарују по строго одређеним правилима: А са Т, а Ц са Г.

Захваљујући томе, два ланца ДНК садрже информацију која омогућава копирање један другог. Када се ДНК удвостручује, њена два ланца се раздвајају, а сваки од њих служи као шаблон за изградњу новог комплементарног ланца.

На пример, ако један ланац има редослед база А-Г-Ц-Т, нови комплементарни ланац мораће да има редослед Т-Ц-Г-А.

Постоји и друга могућност. Ензими познати као реверзне транскриптазе могу да користе РНК као шаблон за прављење ДНК. Управо тако, између осталог, функционишу ретровируси; ДРТ3, међутим, показује да биолошки системи могу да оду још један корак даље.

Две реверзне транскриптазе, два различита начина прављења ДНК

Научници су проучавали ДРТ3 систем у бактерији Escherichia coli, у којој он представља део одбране од бактериофага, вируса који нападају бактерије.

Систем се састоји од две реверзне транскриптазе, ДРТ3а и ДРТ3б, као и некодирајуће РНК која учествује у процесу. ДРТ3а функционише на начин који је ближи ономе што очекујемо од реверзне транскриптазе: користи кратку, понављајућу секвенцу у РНК као шаблон и на основу ње синтетише ДНК. Резултат је понављајући ланац са наизменичним базама, односно полимери типа поли-(дТдГ). ДРТ3б је много необичнији.

Овај ензим прави комплементарни ланац ДНК, али у његовом активном месту нема нуклеинске киселине која би служила као шаблон. Уместо тога, специфични аминокиселински остаци самог протеина постављени су тако да усмеравају уградњу одређених нуклеотида.

Другим речима, структура протеина одређује редослед у коме ће се нуклеотиди додавати у нови ланац ДНК.

Криоелектронска микроскопија омогућила је истраживачима да виде структуру овог комплекса на веома високој резолуцији и да утврде како аминокиселински остаци у активном месту ДРТ3б контролишу наизменичну уградњу дезоксицитидина и дезоксиаденозина. Тако настаје понављајући ланац типа поли-(дЦдА), комплементаран ланцу који производи ДРТ3а.

Информација може да иде од протеина ка ДНК

Управо је овај део открића најнеобичнији. У класичној слици молекуларне биологије, генетичка информација се преноси између ДНК, РНК и протеина на добро познате начине. ДНК служи као основа за синтезу РНК, а РНК носи информацију која се користи за производњу протеина. Реверзна транскрипција омогућава и пренос информације са РНК назад на ДНК.

У систему ДРТ3, међутим, специфичност секвенце једног ланца ДНК није одређена другом нуклеинском киселином. Она је, у одређеном смислу, уграђена у саму структуру протеина.

Како је објаснио биохемичар Семјуел Стернберг са Универзитета Колумбија: „Уместо да копира један ланац ДНК како би направио други, што се дешава током нормалне репликације ДНК, овај систем користи две различите реверзне транскриптазе које независно производе два комплементарна ланца. Један ензим копира РНК шаблон, док други користи аминокиселине у самом протеину да одреди који ће се градивни блокови ДНК додавати.“

Стернберг додаје да се два тако настала ланца потом спајају и формирају дволанчану ДНК.

То значи да два ланца истог молекула ДНК не настају један копирањем другог. Један добија информацију од РНК, други од структуре протеина, а тек након тога два ланца проналазе један други и упарују се.

Криоелектронска микроскопија открила је неочекивани механизам

Истраживачи су до овог закључка дошли комбинацијом биохемијских експеримената и структурних анализа.

Већ су знали да ДРТ3б може да произведе врло специфичну понављајућу ДНК без РНК која би служила као шаблон. Али није било јасно како ензим успева да контролише редослед уграђивања нуклеотида.

Кључни тренутак уследио је када су научници помоћу криоелектронске микроскопије видели ДНК производ унутар ензима. Структура је показала да се одређени аминокиселински остаци налазе управо на позицијама на којима могу да контролишу које ће базе бити уграђене.

„Прави тренутак открића дошао је са биохемијским експериментима и структуром добијеном крио-ЕМ методом. Хироши Нишимасу и његов тим могли су да виде ДНК производ унутар ензима, а структура је поставила ове две аминокиселине тачно на места која су могла да објасне наизменичну секвенцу“, рекао је Стернберг.

То је довело до необичне хипотезе: протеин сам по себи одређује секвенцу ДНК која настаје.

Да би проверили да ли је то заиста случај, истраживачи су изменили аминокиселинске остатке за које су сумњали да имају кључну улогу. Када су их променили, синтеза ДНК и антивирусна функција система су се пореметиле.

Експерименти су тако потврдили да су ти делови протеина неопходни за необичан начин синтезе ДНК.

Али зашто би бактерији уопште требало нешто овако? ДРТ3 није еволуирао као необичан начин копирања ДНК само ради елегантног молекуларног трика. Његова улога је одбрана бактерије од вируса.

У нормалним условима, ДНК коју производи ДРТ3 не акумулира се у великим количинама. За то је, између осталог, задужен ензимски систем РеcБЦД, који разграђује ДНК и представља један од механизама бактеријске одбране од страних генетичких материјала.

Неки бактериофаги, међутим, производе протеине који блокирају РеcБЦД. Наизглед, вирус тиме покушава да уклони једну од најважнијих препрека која стоји на путу његовог размножавања.

Али управо ту настаје замка. Када вирус блокира РеcБЦД, уклања се и „кочница“ која спречава нагомилавање ДНК произведене системом ДРТ3. ДНК почиње да се акумулира, а последица је престанак раста бактеријске ћелије.

Такозвана абортивна инфекција представља врсту жртвовања заражене ћелије: бактерија престаје да буде погодна средина за размножавање вируса, чиме се ограничава његово ширење на друге бактерије. Истраживачи су показали да је ДРТ3 токсичан у ћелијама којима недостаје РеcБЦД, док вирусни протеин Гам, који инхибира РеcБЦД, може да покрене овај одбрамбени одговор.

Стернберг је то објаснио овако: „Вирус покушава да онемогући РеcБЦД зато што је РеcБЦД сам по себи важна антивирусна одбрана. Али тиме што га онемогућава, вирус ненамерно уклања кочницу са ДРТ3.“

Другим речима, вирус покушава да заобиђе један одбрамбени механизам бактерије, али тиме активира други. Можда је ово само један пример много ширег феномена.

Ово откриће отвара питање колико још необичних механизама синтезе нуклеинских киселина постоји у бактеријским одбрамбеним системима, а које још нисмо открили.

Системи ДРТ већ су познати по томе што користе различите, неконвенционалне начине производње ДНК. ДРТ3 сада показује да у истом одбрамбеном систему могу да буду комбинована два потпуно различита начина задавања секвенце: један заснован на РНК, а други на структури протеина.

Стернберг сматра да би ДРТ3 могао да буде само врх леденог брега.

„Моја сумња је да је ово само врх леденог брега. Не верујем да је ДРТ3б једини ензим способан за овакву неконвенционалну синтезу ДНК. Да ли постоји много других протеина који користе управо овај механизам, у коме аминокиселине одређују шаблон, тек треба да се утврди, али био бих изненађен када би природа ово измислила само једном.“

Он додаје да у бактеријским имунским системима вероватно постоји „огромна количина још неистражене ензимологије“.

Не значи да протеини сада могу произвољно да „пишу“ ДНК

Иако откриће звучи као да је протеин добио способност да директно „преводи“ било коју аминокиселинску секвенцу у било коју ДНК секвенцу, резултати за сада не показују тако нешто.

ДРТ3б производи веома специфичну, понављајућу ДНК секвенцу, а њена специфичност произлази из прецизног распореда аминокиселинских остатака у активном месту ензима. Није показано да овај систем може једноставно да се програмира тако да производи произвољне ДНК секвенце.

Ипак, сама чињеница да ензим може да синтетише ДНК без нуклеинске киселине као шаблона мења наше разумевање онога што су молекуларне машине способне да ураде.

ДРТ3 показује да природа не мора увек да се држи уобичајеног правила по коме један ланац нуклеинске киселине служи као упутство за изградњу другог. У овом случају један ланац добија информацију од РНК, други од структуре протеина, а њихово удруживање у дволанчану ДНК дешава се тек након независне синтезе.

Управо због тога ово откриће није само још једна необичност бактеријског имунитета. Оно показује колико различитих начина природа може да пронађе за чување, пренос и контролу молекуларне информације, чак и када су у питању молекули које деценијама сматрамо добро познатим.