Хотя у бактерий нет иммунной системы, они тоже умеют защищаться от патогенов — поражающих их вирусов, то есть бактериофагов. Во многих бактериальных клетках возникли ферментные системы рестрикции-модификации, которые распознают и разрушают чужеродную ДНК. В ответ бактериофаги приобрели особые белки, которые обманывают защитную систему клетки, — они связывают ее компоненты, «притворяясь» ДНК. Недавно ученые из МФТИ и их коллеги показали, что такие антирестрикционные белки ArdA действуют специфично и имитируют не просто молекулу ДНК, а ее участки с определенной последовательностью. Работа опубликована в журнале Molecular Biology.
Бактерии и бактериофаги связывают сложные и длительные отношения, начавшиеся на заре эволюции. Вирусы стремятся использовать бактерии для размножения, а те пытаются им в этом помешать, так что происходит своего рода «гонка вооружений». Например, бактерии приобрели ряд систем рестрикции-модификации, которые действуют подобно иммунитету: распознают чужеродную ДНК, например бактериофага, связывают и разрушают ее. В ответ на это вирусы приобрели белки, способные обходить защиту бактерии за счет так называемой ДНК-мимикрии. Антирестрикционные белки имитируют ДНК — молекулу, которая устроена совсем иначе, — и вместо нее связывают ферменты системы рестрикции-модификации. В результате бактериофаг более успешно размножается.
Такие белки воспроизводят структуру ДНК, которая определяет избирательное взаимодействие с другими веществами — молекулярное узнавание, помогающее клетке регулировать свои внутренние процессы. Коллектив ученых из МФТИ, Сколтеха и РНИМУ имени Н. И. Пирогова разобрался со специфичностью и механизмами действия белков типа ArdA, которые подавляют систему рестрикции-модификации.
Ранее изучение белков ArdA показало, что те мимикрируют под ДНК за счет сильного электростатического заряда на своей поверхности, который обеспечивают отрицательно заряженные аминокислоты. Теперь биофизики выяснили, что узнавание защитными системами бактерий белков ArdA носит избирательный характер.
Ученые выделили гены ArdA из трех различных бактерий — Agrobacterium tumefaciens, Pseudomonas monteilii и Xanthomonas sp. Их перенесли в ДНК четвертой — кишечной палочки Escherichia coli, одной из самых подробно изученных бактерий, которую особенно часто используют в экспериментах.
Далее проверили устойчивость модифицированных бактерий к бактериофагу лямбда, который специализируется на кишечной палочке. Если введение какого-то из белков ArdA влияло на защитную систему рестрикции-модификации, то бактерии чаще гибли. Так ученые выяснили, что отдельные антирестрикционные белки подавляют конкретные защитные системы с разной эффективностью. Иными словами, такие белки избирательны: они связывают только те ферменты, которые узнают конкретные сайты ДНК с заданной последовательностью.
Чтобы выяснить, какие отличия делают белки ArdA специфичными и отличающимися по эффективности, ученые сравнили их аминокислотные последовательности, а также предсказанную с помощью искусственного интеллекта трехмерную форму. Оказалось, что разные белки этой группы имеют очень близкую структуру, хотя на уровне последовательностей аминокислот сходство невелико — не более 21%.
Авторы также использовали компьютерное моделирование и предсказали структуру комплексов, образованных парами молекул (димерами) белков ArdA с белком системы рестрикции-модификации. Так они узнали, какие области молекул контактируют друг с другом и нужны для избирательного связывания.
«В этой работе мы выяснили, что такие ДНК-мимикрирующие белки “изображают из себя” не просто какую-то ДНК, а вполне конкретные сайты узнавания — обычно это короткие последовательности ДНК около 10 нуклеотидных пар. Ранее мы показали, что эти белки могут регулировать экспрессию генов. Объединив те знания со вновь полученными, мы можем всерьез задуматься о том, чтобы использовать имитацию ДНК-мимикрирующими белками типа ArdA определенных последовательностей ДНК для направленной генной терапии», — рассказала к. б. н. Анна Кудрявцева, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики в Центре исследования молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
3
