С момента первой расшифровки генетического кода в 1960-х годах наши гены казались открытой книгой. Считывая и расшифровывая наши хромосомы в виде состоящих из букв строк, в виде предложений в романе, мы можем идентифицировать гены в своём геноме и выяснять, почему изменения в генетическом коде влияют на здоровье.
Считалось, что это линейное правило жизни правит всеми формами жизни — от человека до бактерий.
Но в новом исследовании, проведённом учёными из Колумбийского университета, показано, что бактерии нарушают это правило и могут создавать находящиеся в свободном плавании эфемерные гены, предполагая вероятность того, что подобные гены существуют за пределами нашего собственного генома.
«Это открытие опровергает мысль о том, что в хромосоме прописан полный набор инструкций, которыми пользуются клетки с целью синтеза белка», — говорит Сэмюэл Стернберг, профессор биохимии и молекулярной биологии Колледжа терапии и хирургии Вагелоса, который проводил это исследование со Стивеном Тангом, аспирантом медицинской школы.
«Нам известно, что, как минимум, у бактерий могут быть другие инструкции, не хранящиеся в геноме, но тем не менее необходимые для выживания».
«Невероятно!» и «инопланетная биология»
Реакция научных кругов уже стала новостью несколько месяцев назад, когда работа впервые появилась в качестве препринта. В статье, опубликованной в «Nature News», учёные назвали открытие «инопланетной биологией», «невероятным» и «шокирующим».
«Мы никак не могли поверить», — говорит Танг, «и наши сомнения превратились в изумление, когда механизм постепенно принял свои очертания».
Бактерии и их вирусы воюют миллиарды лет, при этом вирусы пытаются внедрить свои ДНК в геномы бактерий, а бактерии изобретают изощрённые методы самозащиты (например CRISPR). Многие механизмы защиты бактерий остаются неизученными, но могут привести к созданию новых инструментов для редактирования генома.
Бактериальная система защиты, которую выбрали для исследования Стернберг и Танг, достаточно необычна: система состоит из фрагмента РНК с неизвестной функцией и обратной транскриптазы, фермента, синтезирующего ДНК на матрице РНК. Наиболее распространённые защитные системы бактерий расщепляют вторгнувшиеся ДНК вирусов, «поэтому мы были озадачены идеей о защите генома путём синтеза ДНК», — говорит Танг.
Свободно плавающие гены
Чтобы узнать как работает эта странная защита, сначала Танг разработал новый метод идентифицирования ДНК, синтезированной обратной транскриптазой. Обнаруженная им ДНК была длинной, но повторяющейся, содержащей множество копий короткой последовательности внутри молекулы РНК системы защиты.
Затем он осознал, что эта часть молекулы РНК сворачивается в петлю, и обратная транскриптаза множество раз проходит через петлю, чтобы создать повторяющуюся ДНК. «Это как если бы вы намеревались снять фотокопию с книги, но копировальный аппарат начал выплёвывать одну и ту же страницу снова и снова», — говорит Стернберг.
Сначала учёные подумали, что с их экспериментами что-то не так, или что фермент совершает ошибку и созданная им ДНК не имеет смысла.
«Именно в этот момент Стивен провёл кое-какие хитроумные изыскания и обнаружил, что данная молекула ДНК — это полностью функционирующий, свободно плавающий, транзиторный ген», — говорит Стернберг.
Белок, кодируемый этим геном, как обнаружили исследователи, является ключевым элементом системы противовирусной защиты бактерий. Заражение вирусом запускает синтез белка (учёные окрестили его Нео), который мешает вирусу реплицировать и заражать соседние клетки.
Экстрахромосомные гены у людей?
Если будет обнаружено, что подобные гены свободно плавают в клетках высших организмов «это открытие действительно поменяет правила игры», — говорит Стернберг. — Могут существовать гены, или последовательности ДНК, которые не присутствуют ни в одной из 23 хромосом человека. Возможно, они появляются только в определённых средах, в определённых связанных с ростом и генетических контекстах, и всё-таки они обеспечивают критическую информацию для кодирования, на которую мы полагаемся для поддержания наших физиологических норм».
Сейчас лаборатория использует методы Танга для поиска экстрахромосомных генов человека, синтезируемых обратной транскриптазой.
В человеческом геноме существуют тысячи генов обратной транскриптазы, и функции многих из них до сих пор неизвестны. «Предстоит заполнить существенный пробел, который может обнаружить ещё кое-какую интересную биологию», — говорит Стернберг.
Кладезь для редактирования генов
Хотя препараты для генной терапии, использующие преимущества CRISPR, находятся на стадии клинических исследований (и одно было одобрено в прошлом году для серповидных клеток), CRISPR — несовершенная технология.
Новые методы, комбинирующие CRISPR с обратной транскриптазой, дают специалистам по геномной инженерии больше возможностей. «Обратная транскриптаза даёт вам возможность вписывать новую информацию в участки, которые CRISPR обрезает, что CRISPR не может сделать без посторонней помощи», — говорит Танг, — но все пользуются одной и той же обратной транскриптазой, которая была открыта десятилетия тому назад».
Обратная транскриптаза, синтезирующая Нео, обладает определёнными характеристиками, благодаря которым она может дать преимущества для редактирования генома в лаборатории и создания новых видов генной терапии. А в бактериях существуют более загадочные обратные транскриптазы, исследовать которые ещё предстоит.
«Мы думаем, что бактерии могут обладать несметными богатствами обратных транскриптаз, которые могут дать старт новым технологиям, как только мы поймём как они работают», — говорит Стернберг.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Медицинским центром Ирвинга Колумбийского университета.
Вам также может быть интересно:
