Niektóre wirusy niszczą obronę bakterii za pomocą unikalnego alfabetu genetycznego

Niektóre wirusy zabijające bakterie zapisują instrukcje genetyczne w innym alfabecie DNA.

Ponad 40 lat temu naukowcy z Rosji donosili, że rodzaj bakteriofaga zwanego cyjanofagiem S-2L zastępuje blok budulcowy DNA, adeninę, powszechnie znaną jako A, 2-aminoadeniną, oznaczoną Z. Ale nikt nie wiedział, w jaki sposób fag przeszedł z A do Z lub dlaczego.

Po dziesięcioleciach zastanawiania się, dwie niezależne grupy naukowców odkryły, w jaki sposób wirusy tworzą i wbudowują Z w instrukcje genetyczne i jeden z powodów, dla których to robią, donoszą naukowcy w trzech badaniach opublikowanych 30 kwietnia w Science.

Odkrycia mają wpływ na pochodzenie życia na Ziemi, poszukiwanie życia na innych planetach i wiele potencjalnych zastosowań w biomedycynie, biologii syntetycznej, materiałoznawstwie i informatyce – mówi Farren Isaacs, biolog molekularny i syntetyczny z Uniwersytetu Yale, który jest współautorem komentarza w tym samym numerze Science. „To naprawdę fundamentalne odkrycie”.

W latach 90. Philippe Marlière, ksenobiolog pracujący wówczas w Instytucie Pasteura w Paryżu, „szukał przykładów odbiegających od życia, jakie znamy”, kiedy natknął się na rosyjskie badanie z 1977 r. opisujące cyjanofaga z niezwykłym DNA. Po uzyskaniu próbki wirusa, Marlière i współpracownicy rozszyfrowali kompletny zestaw instrukcji genetycznych faga, czyli genom.

W genomie wirusa naukowcy znaleźli instrukcje dotyczące budowy enzymu o nazwie PurZ, który mógłby wykonać pierwszy krok w tworzeniu Z – znanego również jako diaminopuryna. Instytut Pasteura opatentował enzym w imieniu Marlière w 2003 roku.

Mając enzym w ręku „stało się krystalicznie jasne, jak powstaje Z, ale nie [przeprowadziliśmy] żadnych eksperymentów, aby udowodnić, że mamy rację” – mówi Marlière, obecnie prezes European Syndicate of Synthetic Scientists and Industrialists w Berlinie. Projekt został wstrzymany z różnych powodów.

Naukowcy nie opublikowali swoich odkryć aż do teraz, częściowo dlatego, że PurZ nie był enzymem, którego szukał Marlière. Zamiast tego mówi, że miał nadzieję znaleźć inny enzym, polimerazę, która odrzuci adeninę i zamiast tego zbuduje DNA z Z na jej miejscu. „Byłem bardzo, bardzo rozczarowany”, mówi, „ponieważ polimeraza, której tak pragnąłem, nie mogła zostać wykryta w tym fagu”.

Rzeczywiście, polimeraza tego faga nie jest tym, czego szukał. Współpracownik Marlière, Pierre Alexandre Kaminski i jego koledzy, odkryli, że polimeraza cyjanofaga S-2L nie jest wybredna, jeśli chodzi o stosowanie A lub Z. Zamiast tego inny wirusowy enzym o nazwie DatZ rozkłada bloki budulcowe adeniny, nie pozostawiając polimerazie innego wyboru niż użycie Z. Kaminski, biochemik z Instytutu Pasteura, i współpracownicy donoszą 23 kwietnia w Nature Communications.

Okresowo Marlière przeszukiwał genetyczne bazy danych pod kątem innych fagów, które mają PurZ i mogą zawierać nieuchwytną, wybredną polimerazę. Potem, jakieś cztery lata temu, mówi: „Mam wyniki! I nie otrzymałem tylko jednego, ale mam ich aż 12. I bingo, tuż obok tego genu PurZ był gen polimerazy!”

Bakteriofagi z rodziny Siphoviridae, które infekują szeroką gamę bakterii, wszystkie posiadają wersje polimerazy, zwane DpoZ, które preferencyjnie wstawiają Z zamiast A do DNA wirusów, donoszą naukowcy. Marlière zgłosił patent na ten enzym.

Czym różni się wiązanie Z – T w DNA od bardziej standardowego wiązania A – T

Standardowa zasada DNA, adenina, znana jako A (po lewej), łączy się ze swoją partnerką, tyminą, znaną jako T (po prawej), poprzez dwa wiązania wodorowe (pomarańczowe).

Zasada 2-aminoadenina, zwana też Z (po lewej), ma o jedną grupę aminową (NH2, czerwona) więcej niż adenina. Dodatek ten pozwala Z na utworzenie dodatkowego wiązania wodorowego (kolor pomarańczowy) z tyminą, co sprawia, że para Z-T jest bardziej stabilna niż para A-T.

Alternatywny alfabet może być używany znacznie szerzej niż wcześniej sądzono, mówi Huimin Zhao, biolog syntetyczny z University of Illinois w Urbana-Champaign. Po raz pierwszy usłyszał o bakteriofagach, które wykorzystują DNA zawierające Z, na przyjęciu kilka lat temu. Nie wiedząc, że francuscy naukowcy wciąż pracują nad zagadką, przeszukał również bazy danych i znalazł 60 bakteriofagów zawierających PurZ, w tym fagi z rodzin Siphoviridae i Podoviridae. Jego zespół opracował również szlak biochemiczny, którego fagi używają do wytwarzania i włączania Z i odkrył enzymy degradujące A.

Tylko dlatego, że fagi mają enzymy, niekoniecznie używają Z w swoim DNA. Tak więc Zhao i jego koledzy w Chinach wybrali faga o nazwie SH-Ab 15497, który infekuje bakterie Acinetobacter i potwierdzili, że jego alfabet DNA ma również Z zamiast A.

Zastępowanie As przez Zs

Wciąż nie było wiadomo, dlaczego fagi miałyby przejmować się niekonwencjonalnym DNA. Jedna z hipotez mówi, że zamiana A na Z jest środkiem zaradczym przeciwko bakteryjnym enzymom obronnym, znanym jako enzymy restrykcyjne, które rozdrabniają DNA z inwazyjnych fagów. Takie enzymy mają trudności z rozpoznaniem i przecięciem DNA zawierającego zasady Z, stwierdzili Zhao i współpracownicy. „Fag stara się uniknąć zniszczenia przez gospodarza” – mówi. „To jest naprawdę mechanizm ochronny dla faga”.

To także część niekończącego się wyścigu zbrojeń między fagami i bakteriami, mówi Steven Benner, chemik i astrobiolog z Foundation for Applied Molecular Evolution w Alachua na Florydzie. Możliwe, że inne fagi wykorzystujące Z lub inne alternatywne zasady DNA mogą nadal być tam. „Przeoczyliśmy tę formę życia na Ziemi, ponieważ nasze narzędzia molekularne nie pozwoliły nam jej szukać” – mówi. „Ci faceci odkryli całą biosferę, której brakowało w naszym ekwipunku”.

Jest dyskusyjne, czy fagi zawierające Z są nowymi formami życia (nie wspominając o toczącej się debacie na temat tego, czy wirusy są żywe), mówi Floyd Romesberg, biolog syntetyczny z globalnej firmy farmaceutycznej i biotechnologicznej Sanofi w La Jolla, Kalifornia. Ale to otwiera nowe możliwości, jak mówi, na to, czym życie jest, było i może się stać.

„Życie nie jest dokładnie tym, o czym myśleliśmy. Życie nie musi być GTAC”, mówi, odnosząc się do czterech liter standardowego alfabetu DNA. „Mówi się, że życie może być bardziej zróżnicowane”.

Ta świadomość może wpłynąć na poszukiwanie życia na innych planetach. Naukowcy często zakładają, że powinni szukać guaniny, tyminy, adeniny i cytozyny, czyli podstaw DNA, jakie znamy do tej pory. Ale może naukowcy powinni szukać 2-aminoadeniny, zasady Z, zamiast tego, mówi Benner.

W końcu Z tworzy trzy wiązania wodorowe z tyminą, zamiast dwóch wiązań wodorowych, które utrzymują pary zasad A-T razem. To sprawia, że sparowane DNA Z-T jest bardziej stabilne i potencjalnie zdolne do wytrzymania gorętszych lub trudniejszych warunków niż konwencjonalne DNA, mówi.

Bakteriofag SH-Ab 15497 (pokazany na tej mikrofotografii elektronowej), który infekuje Acinetobacter baumannii, zastępuje A w swoim genomie Z. Przełącznik liter pomaga wirusowi uniknąć enzymów bakteryjnych, które mogłyby zniszczyć DNA faga. Y. HUA I WSP. / FRONTIERS IN MICROBIOLOGY 2017

Przy dodatkowej stabilności można by się zastanawiać, dlaczego wszystkie organizmy na Ziemi nie używają Z. Stabilność to nie wszystko, mówi Romesberg. DNA musi zostać rozwinięte i podzielone, aby mogło zostać skopiowane. Może to być trudniejsze do zrobienia w przypadku par zasad Z-T. Z zmienia również sposób, w jaki DNA zakrzywia się i wygina, być może utrudniając upakowanie w ciasnych przestrzeniach, tak jak może to zrobić materiał genetyczny zawierający A. To może uczynić A bardziej atrakcyjnym dla innych organizmów.

A może to był po prostu wypadek, że A była pierwsza. Gdy komórki zaczęły używać tej zasady, zbyt wiele rzeczy musiałoby się zmienić, aby całkowicie przejść na inną zasadę, mówi Romesberg, który od lat pracuje nad tym, aby bakterie włączały egzotyczne zasady DNA.

Komórki mają trudności z zamianą, ponieważ istnieje tak wiele różnych części, które należałoby zmienić, aby pomieścić nową bazę DNA. Zdegradowane genomy wirusów są bardziej elastyczne, mówi Romesberg: przenoszą mniej maszyn, ponieważ większość pracy wykonuje gospodarz. Nawet fagi Z wykonują tylko pierwszy krok w wytwarzaniu Z i polegają na kilku enzymach gospodarza, aby ukończyć przepis. Nadal nie wiadomo, czy organizmy komórkowe również mogą zapisywać Z w swoim DNA.

Źródło: Tina Hesman Saey

Y. Zhou et alA widespread pathway for substitution of adenine by diaminopurine in phage genomesScience. Vol. 372, April 30, 2021, p. 512. doi: 10.1126/science.abe4882.

D. Sleiman et alA third purine biosynthetic pathway encoded by aminoadenine-based viral DNA genomesScience. Vol. 372, April 30, 2021, p. 516. doi: 10.1126/science.abe6494.

V. Pezo et alNoncanonical DNA polymerization by aminoadenine-based siphovirusesScience. Vol. 372, April 30, 2021, p. 520. doi: 10.1126/science.abe6542.

M.W. Grome and F.J. Isaacs. ZTCG: Viruses expand the genetic alphabetScience. Vol. 372, April 30, 2021, p. 460. doi: 10.1126/science.abh3571.

D. Czernecki et alHow cyanophage S-2L rejects adenine and incorporates 2-aminoadenine to saturate hydrogen bonding in its DNANature Communications. Vol. 12, April 23, 2021. doi: 10.1038/s41467-021-22626-x.

Zdjęcie: ALAMY STOCK PHOTO

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x