Биология

Механизм работы вирусного белка установили по 3% его «длины»

Структура новой полимеразы

Maria Sokolova et al./Pavel Odinev/Skoltech

Международная команда исследователей описала необычную РНК-полимеразу, транскрибирующую гены малоизученного crAss-подобного бактериофага. Ученые смогли ее обнаружить, используя только очень малую, менее 3%, часть аминокислотной последовательности, схожей с другими РНК-полимеразами. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Бактериофаги — это вирусы, поражающие определенные бактериальные клетки. CrAss-подобные фаги аналогичны открытому только в 2014 году бактериофагу crAssphage, который получил свое название от метода сборки генома (cross-assembly). Он оказался самым распространенным фагом в кишечной микрофлоре человека. Позднее ученые нашли и других представителей этого класса вирусов, которые ранее никогда не исследовались в лабораторных условиях.

«Поскольку crAss-подобные фаги — самые распространенные вирусы в кишечнике человека, понимание механизма инфицирования хозяйских клеток этими фагами позволит контролировать состав микробиома, что, в свою очередь, важно для охраны здоровья человека и борьбы с различными заболеваниями. Наш интерес к изучению crAss-подобных фагов обусловлен еще и тем, что эти вирусы транскрибируют свои гены, используя необычные РНК-полимеразы, то есть ферменты, формирующие РНК на основе шаблона ДНК», — рассказала одна из исследователей, старший преподаватель Центра наук о жизни Сколковского института науки и технологий Мария Соколова.

Ученые из России, США и Швеции изучили crAss-подобный фаг phi14:2, который заражает бактерии Cellulophaga baltica, широко распространенные на побережьях. Он оказался очень удобен в качестве модели для лабораторных исследований. Исследователи изучили предсказанную РНК-полимеразу этого вируса — gp66. Она представляет собой довольно большой белок, функция которого была неизвестна ученым. Исследовав его аминокислотную последовательность, авторы работы обнаружили в ней небольшой фрагмент, который напоминал фрагмент клеточной мультисубъединичной РНК-полимеразы. Ученые выделили белок gp66 и показали в лабораторных условиях, что он выполняет функцию РНК-полимеразы.

«Стандартный тест на активность РНК-полимеразы, который обычно дает положительный результат для всех других РНК-полимераз, показал, что предсказанная РНК-полимераза crAss-подобного фага является неактивной. Зная о наличии необычных свойств у ферментов вирусов, мы продолжили тесты в поиске активности и в итоге нашли ее. Мы были очень довольны полученным результатом, поскольку до этого момента мы сомневались в достоверности предсказаний с помощью методов биоинформатики, в которых сходство gp66 с известными ферментами оказывалось минимальным», — рассказала Соколова.

Эксперименты показали, что антибиотик рифампицин блокирует собственную РНК-полимеразу бактерии C. baltica, но никак не влияет на gp66. Ученые проверили, какие гены phi14:2 в итоге транскрибируются в инфицированных клетках в присутствии рифампицина и обнаружили множество так называемых ранних генов, которые кодируют механизмы, необходимые вирусу для захвата хозяйской клетки на ранних стадиях инфекции. При этом средних и поздних генов, которые проявляют активность на более поздних стадиях инфекции, было меньше. Поэтому ученые пришли к выводу, что вирус phi14:2 обладает своей собственной РНК-полимеразой. А белок gp66 он использует на ранней стадии инфекции, пока не сможет воспользоваться полимеразой хозяйской клетки. Ученые определили кристаллическую структуру белка gp66 и обнаружили, что большинство его структурных элементов не имеет известных аналогов, а их функции неизвестны. Но исследователи нашли сходство центральной части gp66 с РНК-полимеразой, которая у высших организмов участвует в процессе РНК-интерференции, что позволяет подавлять функцию некоторых генов.

«Это потрясающий результат, позволяющий предположить, что источником ферментов РНК-интерференции — процесса, который считался характерным лишь для клеток высших организмов (эукариот), — является фаг. Другими словами, эти ферменты были “заимствованы” у бактериального вируса — предка современных crAss-подобных фагов на ранних этапах эволюции. Это открытие показывает, что эволюция высших клеток представляла собой сложный процесс, в ходе которого происходили многократные приобретения предковыми клетками ферментов бактерий и даже фагов. Еще один классический пример этого процесса — приобретение целых бактерий предковой эукариотической клеткой, которая впоследствии стала митохондрией», — подчеркнул один из авторов исследования, Константин Северинов из Института молекулярной генетики РАН и Университета Ратгерса.

Ученые также выяснили, что в кристаллической структуре gp66 каталитически активный центр находится в конформации, которой ранее никогда не наблюдалось ни в одной РНК-полимеразе. Авторы исследования предположили, что до упаковки в фаговую частицу gp66 находится в выключенном состоянии.

Фотография вируса

Oliver Bayfield/University of York

«Данный фермент обладает свойствами, характерными для белков, образующих оболочки вирусов (например, гемагглютинина, гликопротеинов флави- и альфавирусов). Эти белки проходят этап созревания во время сборки вирусных частиц, необходимый для обеспечения их активности. У РНК-полимеразы сrAss-подобного фага созревание, возможно, тоже происходит при встраивании в частицу вируса или транслокации через хвост фага в клетку при инфекции», — отметил другой автор иссдедования, Петр Лейман из Центра структурной биологии и молекулярной биофизики Сили при Медицинском отделении Техасского университета.

Ученые обращают внимание на то, что это первое исследование, в котором функция crAss-подобных вирусов была рассмотрена на молекулярном и атомном уровнях. «Наша работа открывает перспективы для регулирования механизмов инфекции crAss-подобными фагами, что, в свою очередь, может стать основой для разработки новых подходов к управлению составом микробиома кишечника человека», — резюмировала Соколова.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.