Угадать мелодию можно и с трех нот: исследователям удалось разгадать механизм работы вирусного белка по 3% его «длины»

Исследователи Сколтеха и их коллеги из России, США и Швеции описали необычную РНК-полимеразу, транскрибирующую гены малоизученного crAss-подобного бактериофага


Ученым удалось «поймать» фермент, используя очень малую часть (составляющую менее 3%) аминокислотной последовательности, подобной другим РНК-полимеразам. Статья с подробным описанием этого открытия опубликована в журнале Nature.

CrAss-подобные фаги – аналоги открытого недавно бактериофага crAssphage, который получил свое название от метода сборки генома (cross-assembly). Ученые обнаружили этот вирус, проводя исследование имеющихся в открытом доступе данных о метагеноме фекалий человека (метагеном представляет собой совокупность информации о генетически последовательностях всех микроорганизмов, присутствующих в образце). Удивителен тот факт, что вирус crAssphage, обнаруженный только в 2014 году, оказался самым распространенным фагом в кишечной микрофлоре человека. Позднее ученые, в том числе соавтор этой статьи Евгений Кунин и его коллеги, обнаружили и других представителей этого класса вирусов, которые ранее никогда не исследовались в лабораторных условиях.

«Поскольку crAss-подобные фаги – самые распространенные вирусы в кишечнике человека, понимание механизма инфицирования хозяйских клеток этими фагами позволит контролировать состав микробиома, что, в свою очередь, важно для охраны здоровья человека и борьбы с различными заболеваниями. Наш интерес к изучению crAss-подобных фагов обусловлен еще и тем, что эти вирусы транскрибируют свои гены, используя необычные РНК-полимеразы (т.е. ферменты, формирующие РНК на основе шаблона ДНК)», − отмечает старший преподаватель Центра наук о жизни Сколтеха (CLS) Мария Соколова.

Соколова и ее коллеги использовали crAss-подобный фаг phi14:2, который инфицирует бактерии Cellulophaga baltica, широко распространенные на побережьях. Оказалось, что этот вирус удобно использовать в качестве модели для лабораторных исследований. В частности, ученые исследовали предсказанную РНК-полимеразу этого вируса — gp66, представляющую собой достаточно крупный белок, функция которого ранее была неизвестна. Анализируя аминокислотную последовательность gp66, исследователи обнаружили в ней небольшой фрагмент, напоминающий фрагмент клеточной мультисубъединичной РНК-полимеразы. Исследователи выделили белок gp66 и продемонстрировали in vitro, что он выполняет функцию РНК-полимеразы.

«Стандартный тест на активность РНК-полимеразы, который обычно дает положительный результат для всех других РНК-полимераз, показал, что предсказанная РНК-полимераза crAss-подобного фага является неактивной. Зная о наличии необычных свойств у ферментов вирусов, мы продолжили тесты в поиске активности и в итоге нашли ее. Мы были очень довольны полученным результатом, поскольку до этого момента мы сомневались в достоверности предсказаний с помощью методов биоинформатики, в которых сходство gp66 с известными ферментами оказывалось минимальным», − рассказывает Соколова.

В экспериментах in vitro было показано, что антибиотик рифампицин блокирует собственную РНК-полимеразу бактерии C. baltica, но не оказывает никакого воздействия на gp66. Исследователи проверили, какие гены phi14:2 в итоге транскрибируются в инфицированных клетках в присутствии рифампицина и обнаружили множество так называемых ранних генов, которые кодируют механизмы, необходимые вирусу для захвата хозяйской клетки на ранних стадиях инфекции. При этом средние и поздние гены, проявляющие активность на более поздних стадиях инфекции, присутствовали в меньших количествах. Это говорит о том, что вирус phi14:2 обладает своей собственной РНК-полимеразой; белок gp66 он использует на ранней стадии инфекции, прежде чем сам сможет воспользоваться полимеразой хозяйской клетки.

Ученые не только смогли определить кристаллическую структуру белка gp66, но и обнаружили, что большинство его структурных элементов не имеет известных аналогов, а их функции неизвестны. Однако было установлено сходство центральной части gp66 с РНК-полимеразой, которая у высших организмов участвует в процессе РНК-интерференции, что позволяет подавлять функцию некоторых генов. По словам соавтора статьи Константина Северинова, «это потрясающий результат, позволяющий предположить, что источником ферментов РНК-интерференции − процесса, который считался характерным лишь для клеток высших организмов (эукариот), является фаг. Другими словами, эти ферменты были «заимствованы» у бактериального вируса − предка современных crAss-подобных фагов на ранних этапах эволюции. Это открытие показывает, что эволюция высших клеток представляла собой сложный процесс, в ходе которого происходили многократные приобретения предковыми клетками ферментов бактерий и даже фагов. Еще один классический пример этого процесса − приобретение целых бактерий предковой эукариотической клеткой, которая впоследствии стала митохондрией».

Исследователи также установили, что в кристаллической структуре gp66 каталитически активный центр находится в конформации, которая ранее никогда не наблюдалось ни в одной РНК-полимеразе. Ученые предположили, что до упаковки в фаговую частицу gp66 находится в выключенном состоянии.

«Данный фермент обладает свойствами, характерными для белков, образующих оболочки вирусов (например, гемагглютинина, гликопротеинов флави- и альфавирусов). Эти белки проходят этап созревания во время сборки вирусных частиц, необходимый для обеспечения их активности. У РНК-полимеразы сrAss-подобного фага созревание, возможно, тоже происходит при встраивании в частицу вируса или транслокации через хвост фага в клетку при инфекции», − отмечает один из авторов статьи, исследователь Центра структурной биологии и молекулярной биофизики Сили при Медицинском отделении Техасского университета Петр Лейман.

Мария Соколова подчеркивает, что это первое исследование, в котором функция crAss-подобных вирусов была рассмотрена на молекулярном и атомном уровнях. «Наша работа открывает перспективы для регулирования механизмов инфекции crAss-подобными фагами, что, в свою очередь, может стать основой для разработки новых подходов к управлению составом микробиома кишечника человека», − добавляет она.

Исследование проводилось с участием специалистов Института молекулярной генетики РАН, Института микробиологии Ваксмана при Ратгерском университете − Государственном исследовательском университете штата Нью-Джерси (США), Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Школы остеопатической медицины при Университете Роуэн (США), Университета Линнеус (Швеция), Национального центра биотехнологической информации (США) и Медицинского отделения Техасского университета (США).

 

Источник: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2921-5


Еженедельный дайджест "Лечащего врача": главные новости медицины в одной рассылке

Подписывайтесь на нашу email рассылку и оставайтесь в курсе самых важных медицинских событий


поле обязательно для заполнения
поле обязательно для заполнения
поле обязательно для заполнения
поле обязательно для заполнения
Нажимая на кнопку Подписаться, вы даете согласие на обработку персональных данных





Актуальные проблемы

Специализации




Календарь событий:




Вход на сайт