Βακτήριο φτιάχνει DNA χρησιμοποιώντας πρωτεΐνη ως πρότυπο

Για να αντιγράψει πληροφορία, η ζωή ακολουθεί συνήθως αρκετά απλές διαδρομές.

Για να αντιγραφεί το DNA, χρησιμοποιείται γενικά το ίδιο το DNA ως πρότυπο. Για τη δημιουργία RNA, τα κύτταρα χρησιμοποιούν συνήθως το DNA ως πρότυπο, ενώ το RNA δίνει με τη σειρά του τις οδηγίες για την παραγωγή πρωτεϊνών.

Τώρα, όμως, ένα βακτήριο αποκάλυψε μια διαφορετική διαδρομή και το εύρημα είναι πραγματικά απρόσμενο.

Στη μία πλευρά αυτού του νεοανακαλυφθέντος συστήματος, μια πρωτεΐνη λειτουργεί ως μοριακό πρότυπο για τη δημιουργία μιας συγκεκριμένης επαναλαμβανόμενης αλληλουχίας DNA, επιτρέποντας ουσιαστικά στις πληροφορίες που είναι γραμμένες στα αμινοξέα να καθοδηγούν πληροφορίες γραμμένες στο DNA.

Και αυτό είναι το ανάποδο σχήμα, σαν να χρησιμοποιείς ένα κέικ ως πρότυπο για να γράψεις μια συνταγή, αντί να χρησιμοποιείς τη συνταγή για να φτιάξεις το κέικ.

«Αντί να αντιγράφει τη μία κλώνο DNA για να φτιάξει τον άλλο, όπως συμβαίνει στη φυσιολογική αντιγραφή του DNA, το σύστημα χρησιμοποιεί δύο διαφορετικές ανάστροφες μεταγραφάσες για να παράγει ανεξάρτητα τους δύο συμπληρωματικούς κλώνους», είπε στο ScienceAlert ο βιοχημικός Samuel Sternberg από το Columbia University.

«Το ένα ένζυμο αντιγράφει ένα πρότυπο RNA, ενώ το άλλο χρησιμοποιεί τα αμινοξέα της ίδιας της πρωτεΐνης για να καθορίσει ποια δομικά στοιχεία του DNA θα προστεθούν. Οι δύο κλώνοι DNA που προκύπτουν στη συνέχεια βρίσκουν ο ένας τον άλλο και ζευγαρώνουν, ώστε να σχηματιστεί δίκλωνο DNA, κάτι που τελικά βοηθά το βακτήριο να αμύνεται απέναντι σε ιούς».

Το DNA είναι ουσιαστικά το σύστημα αποθήκευσης πληροφοριών της ζωής. Η διάσημη διπλή έλικα αποτελείται από δύο κλώνους που σχηματίζονται από τέσσερις χημικές βάσεις: αδενίνη (A), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη (T). Αυτά τα τέσσερα συστατικά συνθέτουν το γενετικό υλικό όλων των ζωντανών οργανισμών.

Δεν μπορούν όμως να συνδυαστούν όπως να ’ναι. Ζευγαρώνουν με συγκεκριμένους κανόνες: A με T και C με G. Αυτό σημαίνει ότι η αλληλουχία του ενός κλώνου περιέχει τις πληροφορίες που χρειάζονται για να χτιστεί ο άλλος.

Όταν ένα κύτταρο αντιγράφει το DNA, χωρίζει τους δύο κλώνους σαν φερμουάρ και κάθε μονός κλώνος λειτουργεί ως πρότυπο για τον σχηματισμό του νέου κλώνου που τυλίγεται γύρω του. Αν, για παράδειγμα, η αλληλουχία ενός κλώνου είναι A-G-C-T, τότε η συμπληρωματική αλληλουχία που χρειάζεται είναι T-C-G-A.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένζυμα που ονομάζονται ανάστροφες μεταγραφάσες μπορούν να φτιάξουν DNA χρησιμοποιώντας ως πρότυπο RNA. Αυτό ακριβώς κάνουν, για παράδειγμα, οι ρετροϊοί. Όμως και πάλι, στη διαδικασία συμμετέχει ένα νουκλεϊκό οξύ.

Εκεί ακριβώς, όπως διαπίστωσαν ο Sternberg και οι συνεργάτες του, τα βακτήρια γίνονται λίγο… παράξενα.

Είναι γνωστό ότι αυτοί οι οργανισμοί χρησιμοποιούν ένα σύστημα που ονομάζεται defense-associated reverse transcriptases (DRT) ως μέρος της ανοσολογικής τους άμυνας απέναντι στους ιούς, αλλά μέχρι τώρα δεν ήταν σαφές πώς λειτουργούσε στην πράξη.

Ο Sternberg και οι συνεργάτες του μελέτησαν ένα τέτοιο σύστημα, το DRT3, στο Escherichia coli, χρησιμοποιώντας μια σειρά πειραμάτων για να καταλάβουν τι ακριβώς κάνουν οι δύο ανάστροφες μεταγραφάσες του.

Όταν εξέτασαν τη δομή ενός από αυτά τα ένζυμα, του DRT3b, με κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία, βρήκαν κάτι που δεν περίμεναν.

«Γνωρίζαμε από τα πειράματά μας ότι το DRT3b μπορούσε να φτιάξει αυτήν τη συγκεκριμένη επαναλαμβανόμενη αλληλουχία DNA χωρίς το RNA που απαιτεί η άλλη ανάστροφη μεταγραφάση. Αλλά δεν ξέραμε πώς το έκανε», είπε ο Sternberg.

«Η πραγματική στιγμή της αποκάλυψης ήρθε από τα βιοχημικά πειράματα και τη δομή cryo-EM. Ο Hiroshi Nishimasu και η ομάδα του μπορούσαν κυριολεκτικά να δουν το προϊόν DNA να κάθεται μέσα στο ένζυμο, και η δομή έδειχνε αυτά τα δύο αμινοξέα ακριβώς στις σωστές θέσεις για να εξηγήσουν την εναλλασσόμενη αλληλουχία.

«Αυτό αμέσως υπέδειξε μια αρκετά τολμηρή πιθανότητα: ότι η ίδια η πρωτεΐνη καθόριζε την αλληλουχία».

Η δομή από μόνη της δεν αρκούσε για να το αποδείξει. Έτσι, οι ερευνητές τροποποίησαν τα δύο αμινοξέα που υποψιάζονταν ότι ήταν υπεύθυνα για τον καθορισμό της αλληλουχίας.

Όταν το έκαναν, τόσο η σύνθεση του DNA όσο και η αντιική άμυνα του βακτηρίου κατέρρευσαν, επιβεβαιώνοντας ότι τα αμινοξέα ήταν κρίσιμα για τη διαδικασία.

Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι ότι το DRT3b το έκανε αυτό χωρίς κανένα νουκλεϊκό οξύ-πρότυπο. Αντί γι’ αυτό, τα δύο αμινοξέα δίπλα στο ενεργό κέντρο του ενζύμου λειτουργούσαν ουσιαστικά ως το ίδιο το πρότυπο: το ένα ευνοούσε την ενσωμάτωση του A και το άλλο του C.

Το αποτέλεσμα είναι μια εξαιρετικά απλή αλυσίδα DNA, που αποτελείται από την επαναλαμβανόμενη αλληλουχία C-A-C-A-C-A.

«Με μια πολύ κυριολεκτική έννοια, η πληροφορία στην αλληλουχία αμινοξέων της πρωτεΐνης μεταφράζεται σε αλληλουχία DNA», είπε ο Sternberg. «Αυτό είναι μια πολύ διαφορετική ροή βιολογικής πληροφορίας από ό,τι συνήθως θεωρούμε».

Αλλά αυτό είναι μόνο το μισό από ό,τι κάνει το DRT3.

Ο κλώνος DNA που παράγει το DRT3b με πρότυπο την πρωτεΐνη είναι μόνο ένας από τους δύο που δημιουργεί το σύστημα. Μια δεύτερη ανάστροφη μεταγραφάση, η DRT3a, κατασκευάζει ανεξάρτητα έναν ακόμη επαναλαμβανόμενο κλώνο DNA, αυτή τη φορά όμως με τον πιο συμβατικό τρόπο, χρησιμοποιώντας RNA ως πρότυπο.

Οι δύο κλώνοι είναι συμπληρωματικοί. Μόλις σχηματιστούν, βρίσκουν αυθόρμητα ο ένας τον άλλο και ζευγαρώνουν, σχηματίζοντας τη γνώριμη διπλή έλικα του δίκλωνου DNA.

Και αυτό επίσης γίνεται ανάποδα από τον συνηθισμένο τρόπο. Κανονικά, οι δύο κλώνοι του DNA δεν φτιάχνονται ανεξάρτητα: ένας ήδη υπάρχων κλώνος δίνει το πρότυπο για τον νέο του σύντροφο.

Εδώ, κανένας από τους δύο νεοσχηματισμένους κλώνους δεν παρέχει τις οδηγίες για τον άλλο. Ο ένας παίρνει την αλληλουχιακή του πληροφορία από το RNA, ο άλλος από την πρωτεΐνη, και μόνο στη συνέχεια ενώνονται.

«Ένα ακόμη στοιχείο της μελέτης που βρίσκω ιδιαίτερα συναρπαστικό είναι ότι αμφισβητεί τη συνηθισμένη εικόνα για το πώς φτιάχνεται το δίκλωνο DNA», είπε ο Sternberg.

«Συνήθως, θεωρούμε ότι ο ένας κλώνος κουβαλά τις πληροφορίες που χρειάζονται για να δημιουργηθεί ο άλλος. Εδώ, οι δύο κλώνοι συντίθενται ανεξάρτητα, χρησιμοποιώντας δύο εντελώς διαφορετικά είδη προτύπων — RNA για τον έναν και πρωτεΐνη για τον άλλο — και μόνο μετά ενώνονται για να σχηματίσουν μια διπλή έλικα.

«Για μένα, αυτό είναι ένα εντυπωσιακό παράδειγμα του πόσο ευρηματική μπορεί να είναι η εξέλιξη με πολύ γνώριμα μοριακά δομικά στοιχεία».

Όμως το DRT3 δεν εκτελεί αυτό το περίπλοκο μοριακό τέχνασμα απλώς για επίδειξη. Είναι ένα αμυντικό σύστημα και το παράξενο DNA φαίνεται να λειτουργεί σαν παγίδα για τους εισβολείς ιούς.

Υπό φυσιολογικές συνθήκες, ένα ένζυμο που ονομάζεται RecBCD καταστρέφει συνεχώς το DNA που παράγεται από το DRT3, εμποδίζοντάς το να συσσωρευτεί. Το RecBCD είναι και το ίδιο μέρος της άμυνας του βακτηρίου, καθώς βοηθά στην καταστροφή του ιικού DNA που εισβάλλει. Ορισμένοι ιοί, στο πλαίσιο του οπλοστασίου επίθεσής τους, παράγουν πρωτεΐνες που απενεργοποιούν το RecBCD.

«Ο ιός προσπαθεί να απενεργοποιήσει το RecBCD, επειδή το RecBCD είναι από μόνο του μια σημαντική αντιική άμυνα», εξήγησε ο Sternberg. «Αλλά, απενεργοποιώντας το, ο ιός αφαιρεί άθελά του το φρένο από το DRT3».

Καθώς το DNA που παράγεται από το DRT3 συσσωρεύεται, το βακτήριο σταματά να αναπτύσσεται και αυτό, με τη σειρά του, εμποδίζει τον ιό να πολλαπλασιαστεί αποτελεσματικά. Το βακτηριακό κύτταρο θυσιάζεται για να μην εξαπλωθεί ο ιός στον γύρω πληθυσμό.

Χρειάζεται περαιτέρω έρευνα για να διαπιστωθεί πώς ακριβώς το DRT3 σταματά την ανάπτυξη του βακτηρίου. Οι ερευνητές θέλουν επίσης να εξετάσουν αν παρόμοια συστήματα μπορούν να γράψουν διαφορετικές αλληλουχίες DNA.

«Υποψιάζομαι ότι αυτό είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου», είπε ο Sternberg.

«Αμφιβάλλω ότι το DRT3b είναι το μόνο ένζυμο που μπορεί να κάνει αυτό το είδος αντισυμβατικής σύνθεσης DNA. Το αν υπάρχουν πολλά ακόμη πρωτεΐνες που χρησιμοποιούν ακριβώς αυτόν τον μηχανισμό πρότυπου αμινοξέων μένει να φανεί, αλλά θα μου έκανε εντύπωση αν η φύση το είχε επινοήσει μόνο μία φορά.

«Πιο γενικά, πιστεύω ότι κρύβεται τεράστιος όγκος ανεξερεύνητης ενζυμολογίας στα βακτηριακά ανοσολογικά συστήματα».

Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Cell.