ГЕНЫ И ПРОМОТОРЫ vlhA:МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ПАРАЗИТИЗМА

ОКОНЧАНИЕ.

НАЧАЛО

ПРОДОЛЖЕНИЕ

Как это работает?!

#Гены vlhA, а значит, и соответствующие промоторы, разбросаны по очень небольшому геному M. gallisepticum. Размер его менее 1 млн пар оснований — снова рекордно малый. GC-состав — тоже выдающийся и равен 0,3, то есть на тугоплавкие пары нуклеотидов G—C (формирующие между собой три водородные связи) приходится менее трети. На объединенные двумя водородными связями пары A—T, как нетрудно посчитать, остается всё остальное (0,7). Система регуляции транскрипции предельно упрощена. Из факторов транскрипции — белков, связывающихся в регуляторной части гена и тем самым изменяющих его активность, — остались считанные единицы (рис. 3). Несмотря на это, данная микоплазма не просто эффективно меняет свои фазы жизненного цикла (атаковать — осваиваться — размножаться), но делает это чрезвычайно быстро [4]. В чем же ее секрет?

Итак, мы имеем немногим более 40 генов vlhA (у слабопатогенного штамма Rlow их, например, 43 [4]). Экспрессия этих генов контролируется соответствующими промоторами. Нам нужно включать то один, то другой из этих раскиданных по геному промоторов, всякий раз оставляя рабочим единственный. Первые эксперименты в этой области указывали, что активные гены семейства vlhA объединяет «черная метка» — присутствие ровно 12 тринуклеотидов GAA. И метка эта постоянно мутирует — просто в силу скачкообразной изменчивости микросателлитов. Что, в свою очередь, может влиять на то, какому гену включиться в определенный момент. Позднее выяснили, что картина несколько сложнее [4].

Размеры GAA-трека навели исследователей на мысль о некотором гипотетическом «белке Х», который может на него садиться (рис. 4). Авторы соответствующей гипотезы указывали, что его связывание должно вызывать активацию экспрессии одного из генов семейства vlhA [8]. #Белок этот так и остался "на бумаге" — исследования в этой области не развивались.

Рисунок 4. Схематическое изображение предполагаемого белка (hemagglutinin activator protein, HAP) и место его связывания [8]

Как иначе можно объяснить удивительно оперативную и способную «интерактивно» реагировать на иммунный ответ хозяина регуляцию транскрипции на фоне отсутствия стандартной машинерии? Мы предполагаем участие отдельного типа кодирования функции ДНК — а именно физических и структурных свойств ее двойной спирали. Нам привычно воспринимать эту молекулу как нечто «цифровое», инертное хранилище информации. И правда, кодирующие части генов состоят из триплетов, каждый из которых кодирует некоторую аминокислоту или команды вроде «начать/завершить считывание». Однако областей с такой самоочевидной функцией немного — особенно в сравнении с размером генома. В то же время регуляторные участки ДНК, то есть определяющие переключения «потока» информации при экспрессии генов реализуют свои функции иначе. В этом случае работает «код» не нуклеотидной последовательности (буквенный), а физических и структурных свойств дуплекса. ДНК, таким образом, активно и даже настраиваемо участвует в регуляторных процессах.

Для чего это нужно?

Дело в том, что регуляция потока информации от ДНК к белку, включающая ее перекодирование, воспроизведение и «текущее обслуживание» ДНК, происходит благодаря различными ДНК-связывающим белками, включая т.н. белки-катализаторы — #ферменты . Такие белки нередко руководствуются не строгими «словами» в их нуклеотидной последовательности, а особенностями структуры и физики дуплекса. В этом процессе могут быть важны различные характеристики ДНК — электростатический потенциал, термодинамические свойства, склонность к изгибам и т.д. Такое разнообразие связано со сложностью и многостадийностью самого процесса транскрипции.

Соответствующие данные получены нами ранее для другого шедевра внутриклеточного паразитизма — бактериофагов группы Т7 [9], [10]. Наиболее известный и изученный за последние несколько (!) десятков лет #бактериофаг Т7 интересен тем, что представляет собой «геномный каскад». Это означает, что три части крошечного генома экспрессируются последовательно, одна за другой. При этом промоторы для персональной РНК-полимеразы фага (угадайте ее размеры) очень схожи, в ряде случаев — идентичны по последовательности.

А вот физические свойства дуплекса ДНК таких промоторов сильно отличаются. Это удалось показать для электростатического потенциала, направляющего самые первые взаимодействия промотора и РНК-полимеразы. Таким образом, данный параметр важен до непосредственного сближения промотора и РНК-полимеразы. Подобную картину нам удалось описать и для другого свойства — склонности промоторных участков ДНК плавиться при скручивании. Напомним, что под плавлением ДНК понимают расхождение цепей дуплекса друг от друга. Благодаря таким резким различиям в физике очень схожих по своему «тексту» промоторов становится возможным их быстрое и точное различение, а стало быть, и смена фаз жизненного цикла фага.

Подобное положение дел нам удалось описать и для нашего галлисептикума. С этой целью мы создали два датасета: в первый вошли промоторы vlhA из 12 различных штаммов M. gallispetium, во второй (для сравнения) — полный набор промоторов генов, не относящихся к семейству vlhA. Первым делом мы взглянули на их нуклеотидную последовательность или, как еще говорят, первичную структуру. Соответствующая визуализация последовательностей представлена на рисунке 5 (изображение оригинальное, публикуется впервые). На ней легко заметить необычно длинные консервативные участки, непосредственно прилегающие к треку GAA-повторов с обеих сторон. Их протяженность делает их уникальными для прокариот. А ведь они еще и не имеют гомологов в каких-либо других геномах!

Рисунок 5. Выравнивание для всех промоторов семейства vlhA из 12 различных штаммов M. gallisepticum (а) и полного набора прочих генов штамма S6 (б). Первые упорядочены таким образом, что имеющие более короткие GAA-треки расположены выше. Это позволяет легко различать их как желто-красную полосу. Правее них расположены области собственно промотора — ближайшая красно-синяя область (что соответствует обилию аденина и тимина). Публикуется впервые, на основе данных из [4].

В чем же особенность физических свойств этих особых промоторов? Используя методы моделирования, мы рассмотрели ряд доступных для вычислений параметров ДНК. Электростатический потенциал промоторов vlhA демонстрирует характерные паттерны в области, где ДНК связывается с промотором. Для промоторов группы «не-vlhA» таковых не наблюдается. Еще более интересным оказалось различие между этими группами по параметру с замысловатым названием — «вызванная суперспиральностью дестабилизация дуплекса #ДНК» (stress-induced duplex destabilization, SIDD). Если коротко: она определяет, насколько легко ДНК плавится при определенной степени скрученности (к которой дуплекс может быть чувствителен). Промоторы группы vlhA оказались «тугоплавкими», что в целом нехарактерно для промоторов бактерий. Остальные же продемонстрировали высокую дестабилизацию, то есть стандартное легкое плавление дуплекса ДНК.

Подведем итоги: при помощи вычислений нам удалось показать существенные различия в физике между промоторами vlhA и «простыми» промоторами M. gallisepticum [4]. Что ж, теперь дело за экспериментаторами, которые помогут нам проверить и интерпретировать эти данные в «мокрых» (лабораторных) исследованиях. И выяснить назначение загадочных длинных консервативных последовательностей вокруг трека тандемных повторов.

полный текст см. https://biomolecula.ru/articles/ali-baba-i-40-promotorov