Ученые обнаружили у некоторых вирусов загадочный Z-геном

Вирус
Фото: KEITH CHAMBERS/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Эти вирусы используют уникальный генетический алфавит, которого нет больше нигде на планете.

Жизненный план на нашей планете обычно "пишется" молекулами ДНК с использованием четырехбуквенного генетического алфавита. Но некоторые вирусы, вторгающиеся в бактерии, несут в себе ДНК с другой буквой Z, которая может помочь им выжить. И новые исследования показывают, что это гораздо более распространённое явление, чем считалось ранее, сообщает Livescience

ДНК почти всегда состоит из одного и того же четырехбуквенного алфавита химических соединений, известных как нуклеотиды: гуанин (G), цитозин (C), тимин (T) и аденин (A). Молекула ДНК состоит из двух цепей этих химических веществ, связанных вместе в форме двойной спирали. Алфавит ДНК один и тот же, будь то кодирование у лягушек, людей или растений, но программы разные. Молекула РНК использует почти тот же алфавит, но использует урацил (U) вместо тимина.

В 1977 году группа ученых в России впервые обнаружила, что цианофаг, или вирус, вторгающийся в группу бактерий, известных как цианобактерии, заменил все свои аденины на химический 2-аминоаденин (Z). Другими словами, генетический алфавит, который обычно состоит из ATCG у большинства организмов на нашей планете, в этих вирусах был ZTCG.

На протяжении десятилетий это было головокружительным открытием и мало было известно о том, как эта однобуквенная замена могла повлиять на вирус. В конце 1980-х ученые обнаружили, что этот Z-нуклеотид на самом деле дал вирусу некоторые преимущества: он был более стабильным при более высоких температурах, он помог одной цепи ДНК более точно связываться со второй цепью ДНК после репликации, а Z-ДНК может противостоять определенным белкам, присутствующим в бактериях, которые обычно разрушают вирусную ДНК.

Теперь две исследовательские группы во Франции и одна в Китае открыли еще одну часть головоломки: как этот Z-нуклеотид попадает в геномы бактериофагов — вирусов, которые вторгаются в бактерии и используют их механизмы для репликации.

Все три исследовательские группы, используя различные геномные методы, определили часть пути, ведущего к Z-геному у бактериофагов.

Первые две группы обнаружили два основных белка, известных как PurZ и PurB, которые участвуют в создании Z-нуклеотида. Как только цианофаг вводит свою ДНК в бактерии для репликации, происходит серия трансформаций: эти два белка образуют молекулу-предшественник Z, а затем превращают молекулу-предшественник Z в Z-нуклеотид. Затем другие белки модифицируют его, чтобы он мог быть включен в ДНК.

Третья группа определила фермент, ответственный за сборку новых молекул ДНК из исходной молекулы ДНК: ДНК-полимеразу, известную как DpoZ. Они также обнаружили, что этот фермент специально исключает A-нуклеотид и всегда добавляет вместо него Z.

На протяжении десятилетий было известно, что Z-геном существует только у одного вида цианобактерий.

"Считалось, что этот Z-геном очень редкий», — говорит Сувен Чжао, доцент школы естественных наук и технологий Шанхайского технологического университета.

Чжао и ее команда проанализировали последовательности фагов с Z-геномом и сравнили их с другими организмами. Они обнаружили, что Z-геномы на самом деле гораздо более распространены, чем считалось ранее. Z-геном присутствует более чем в 200 различных типах бактериофагов.

"Фаги, несущие этот Z-геном, можно рассматривать как другую форму жизни", — говорит Пьер Александр Камински, исследователь из Института Пастера во Франции. "Но трудно узнать точное происхождение, и необходимо изучить степень, в которой этот белок PurZ существует в бактериофагах — и, возможно, даже в организмах", — говорит он.

Камински и его группа проанализировали эволюционную историю белка PurZ и обнаружили, что он связан с белком PurA, обнаруженным в архее, которая синтезирует A-нуклеотид.

"Эта "отдаленная" эволюционная связь поднимает вопрос о том, возникли ли белки, участвующие в создании Z-нуклеотида, сначала в бактериях и в конечном итоге были адаптированы вирусами, или же они чаще встречались у первых форм жизни на планете, возможно, даже внутри клеток", — говорит Майкл Гром и Фаррен Айзекс из Йельского университета/

PurZ и DpoZ часто передаются по наследству вместе, что говорит о том, что Z-геномы существовали вместе с нормальной ДНК с первых дней жизни на нашей планете, около 3,5 миллиардов лет назад. Более того, проведенный в 2011 году анализ метеорита, упавшего в Антарктиде в 1969 году, обнаружил Z-нуклеотид наряду с некоторыми стандартными и нестандартными нуклеотидами, вероятно, внеземного происхождения, "повысив потенциальную роль Z в ранних формах жизни", — говорят ученые.

Возможно, этот Z-геном, если он существовал в ранней истории нашей планеты, мог дать преимущество ранним формам жизни. "Я думаю, что для организмов с Z-геномом было больше возможностей выжить в жарких и суровых условиях нашей планеты на раннем этапе", — говорит Чжао.

Z-геном очень стабилен. Когда две нити нормальной ДНК соединяются вместе, образуя двойную спираль, две водородные связи связывают A с T, а три водородные связи связывают G с C. Но когда A заменяется на Z, три водородные связи связывают их вместе, делая связь более прочной. По словам Камински, это единственная ненормальная ДНК, которая изменяет водородные связи.

Но неудивительно, что Z-геном сегодня не получил широкого распространения среди видов живых существ. По словам Чжао, Z-геном создает очень стабильную, но не гибкую ДНК. По ее словам, для многих биологических событий, таких как репликация ДНК, нам нужно разделить две цепи, а дополнительная водородная связь затрудняет разделение. "Я думаю, что это больше подходит для жарких и суровых климатических условий, но не для такой более комфортной среды, как сейчас", — говорит Чжао.

Тем не менее, стабильность Z-генома делает его идеальным кандидатом для определенных технологий. Теперь, когда исследователи знают, какие белки использует вирус для создания этих Z-геномов, ученые могут создавать их сами.

Например, Z-геном может помочь улучшить фаговую терапию, которая представляет собой метод лечения бактериальной инфекции с использованием бактериофагов, как правило, когда бактерии развивают устойчивость к антибиотикам.