Учені виявили в деяких вірусах загадковий Z-геном

вірус
Фото: KEITH CHAMBERS/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Ці віруси використовують унікальний генетичний алфавіт, якого немає більше ніде на планеті.

Життєвий план на нашій планеті зазвичай "пишеться" молекулами ДНК з використанням чотирибуквеного генетичного алфавіту. Але деякі віруси, що вторгаються в бактерії, несуть у собі ДНК з іншою буквою Z, яка може допомогти їм вижити. І нові дослідження показують, що це набагато більш поширене явище, ніж вважалося раніше, повідомляє Livescience

ДНК майже завжди складається з одного і того ж чотирибуквеного алфавіту хімічних сполук, відомих як нуклеотиди: гуанін (G), цитозин (C), тимін (T) і аденін (A). Молекула ДНК складається з двох ланцюгів цих хімічних речовин, пов'язаних разом у формі подвійної спіралі. Алфавіт ДНК один і той же, будь то кодування в жаб, людей або рослин, але програми різні. Молекула РНК використовує майже той же алфавіт, але використовує урацил (U) замість тиміну.

У 1977 році група вчених у Росії вперше виявила, що ціанофаг, або вірус, що вторгається в групу бактерій, відомих як ціанобактерії, замінив усі свої аденіни на хімічні 2-аміноаденіни (Z). Іншими словами, генетичний алфавіт, який зазвичай складається з ATCG у більшості організмів на нашій планеті, у цих вірусах був ZTCG.

Протягом десятиліть це було запаморочливим відкриттям і мало було відомо про те, як ця однобуквена заміна могла вплинути на вірус. У кінці 1980-х учені виявили, що цей Z-нуклеотид насправді дав вірусу деякі переваги: він був більш стабільним за більш високих температур, він допоміг одному ланцюгу ДНК більш точно зв'язуватися з другим ланцюгом ДНК після реплікації, а Z-ДНК може протистояти певним білкам, які є в бактеріях, що зазвичай руйнують вірусну ДНК.

Наразі дві дослідницькі групи у Франції й одна в Китаї відкрили ще одну частину головоломки: як цей Z-нуклеотид потрапляє в геноми бактеріофагів — вірусів, які вторгаються в бактерії і використовують їхні механізми для реплікації.

Усі три дослідницькі групи, використовуючи різні геномні методи, визначили частину шляху, що веде до Z-геному в бактеріофагах.

Перші дві групи виявили два основних білки, відомих як PurZ і PurB, які беруть участь у створенні Z-нуклеотиду. Як тільки ціанофаг вводить свою ДНК в бактерії для реплікації, відбувається серія трансформацій: ці два білки утворюють молекулу-попередник Z, а потім перетворюють молекулу-попередник Z на Z-нуклеотид. Потім інші білки модифікують його, щоб він міг бути включеним у ДНК.

Третя група визначила фермент, відповідальний за складання нових молекул ДНК з вихідної молекули ДНК: ДНК-полімерази, відомої як DpoZ. Вони також виявили, що цей фермент спеціально виключає A-нуклеотид і завжди додає замість нього Z.

Протягом десятиліть було відомо, що Z-геном існує тільки в одному виді ціанобактерій.

"Вважалося, що цей Z-геном дуже рідкісний», — каже Сувен Чжао, доцент школи природних наук і технологій Шанхайського технологічного університету.

Чжао та її команда проаналізували послідовності фагів з Z-геномом і порівняли їх з іншими організмами. Вони виявили, що Z-геноми насправді набагато більш поширені, ніж вважалося раніше. Z-геноми присутні в понад 200 різних типах бактеріофагів.

"Фаги, що несуть цей Z-геном, можна розглядати як іншу форму життя", — каже П'єр Александр Камінські, дослідник з Інституту Пастера у Франції. "Але важко дізнатися точне походження, і необхідно вивчити ступінь, як цей білок PurZ існує в бактеріофагах — і, можливо, навіть в організмах", — говорить він.

Камінські та його група проаналізували еволюційну історію білка PurZ і виявили, що він пов'язаний з білком PurA, виявленим в археї, що синтезує A-нуклеотид.

"Цей "віддалений" еволюційний зв'язок порушує питання про те, чи виникли білки, які беруть участь у створенні Z-нуклеотиду, спочатку в бактеріях і в кінцевому підсумку були адаптовані вірусами, чи ж вони частіше зустрічалися в перших формах життя на планеті, можливо, навіть всередині клітин", — говорить Майкл Грім і Фаррен Айзекс з Єльського університету.

PurZ і DpoZ часто передаються в спадок разом, що говорить про те, що Z-геноми існували разом з нормальною ДНК з перших днів життя на нашій планеті, близько 3,5 мільярдів років тому. Більше того, проведений у 2011 році аналіз метеорита, що впав в Антарктиді в 1969 році, виявив Z-нуклеотид поряд з деякими стандартними і нестандартними нуклеотидами, ймовірно, неземного походження, "підвищивши потенційну роль Z у ранніх формах життя", — говорять учені.

Можливо, цей Z-геном, якщо він існував у ранній історії нашої планети, міг дати перевагу раннім формам життя. "Я думаю, що для організмів із Z-геномом було більше можливостей вижити в спекотливих і суворих умовах нашої планети на ранньому етапі", — говорить Чжао.

Z-геном дуже стабільний. Коли дві нитки нормальної ДНК з'єднуються разом, утворюючи подвійну спіраль, два водневі зв'язки пов'язують A з T, а три водневі зв'язки пов'язують G з C. Але коли A замінюється на Z, три водневі зв'язки пов'язують їх разом, роблячи зв'язок міцнішим. За словами Камінські, це єдина ненормальна ДНК, яка змінює водневі зв'язки.

Але дивно, що Z-геном наразі не отримав широкого поширення серед видів живих істот. За словами Чжао, Z-геном створює дуже стабільну, але не гнучку ДНК. За її словами, для багатьох біологічних подій, таких як реплікація ДНК, нам потрібно розділити два ланцюги, а додатковий водневий зв'язок ускладнює поділ. "Я думаю, що це більше підходить для спекотливих і суворих кліматичних умов, але не для такого більш комфортного середовища, як наразі", — говорить Чжао.

Проте, стабільність Z-геному робить його ідеальним кандидатом для певних технологій. Тепер, коли дослідники знають, які білки використовує вірус для створення цих Z-геномів, учені можуть створювати їх самотужки.

Наприклад, Z-геном може допомогти поліпшити фагам терапію, яка представляє собою метод лікування бактеріальної інфекції з використанням бактеріофагів, як правило, коли бактерії розвивають стійкість до антибіотиків.