Вирусная РНК-полимераза оказалась дальним родственником клеточных РНК-полимераз, участвующих в РНК-интерференции

• АВТОР: Елизавета Минина
• РЕДАКТОР: Андрей Панов

Тщательное изучение вирусных белков, даже самых многочисленных, подчас преподносит исследователям множество сюрпризов. Российские и американские ученые детально изучили РНК-полимеразу бактериофага ?14:2, входящего в семейство сrAss-подобных фагов — самой многочисленной группы вирусов в желудочно-кишечном тракте человека. Этот фермент упаковывается в вирионы вместе с вирусным геномом и участвует в транскрипции генов фага в начале инфекции. Исследователям удалось получить кристаллическую структуру РНК-полимеразы фага ?14:2, которая, как оказалось, очень похожа на эукариотические РНК-полимеразы, задействованные в РНК-интерференции. Авторы работы высказывают предположение, что эукариотические РНК-полимеразы, участвующие в РНК-интерференции, позаимствованы у фага, который, вероятно, инфицировал бактерию — предка митохондрий.

Чтобы совершить удивительное открытие в мире вирусов и микроорганизмов, вовсе не обязательно спускаться в океанские глубины, покорять горные вершины или забираться в другие труднодоступные места: зачастую необычные вещи спрятаны буквально у нас под носом. Так обстоят дела и с crAss-подобными бактериофагами , которые обитают в кишечнике каждого человека, но до сих пор оставались совершенно не изученными. Лишь в 2014 году, ученые, анализируя метагеном кишечного микробиома человека, обнаружили в нем последовательности ДНК, которые удалось собрать в геном длиной 100 тысяч пар оснований. Оказалось, что этот геном принадлежал ранее неизвестному бактериофагу, который получил название crAssphage (по названию метода, используемого для сборки генома — cross assembly) [1]. Выяснилось также, что crAssphage — это самый распространенный фаг в популяции человека. На его геном приходится до 90% всех ридов (прочтений), получаемых при секвенировании вирусной фракции микробиома кишечника человека [1]. Позже группа Евгения Кунина открыла, что в природе существует множество фагов, родственных crAss-фагу, но никто из них не был изучен в лабораторных условиях [2]. И это неудивительно, ведь большинство crAss-подобных фагов не культивировали в лаборатории, и мы знаем о них лишь из исследований метагеномов. Изучение crAss-подобных фагов представляет огромный интерес, поскольку они — самые многочисленные вирусы в кишечнике человека и, безусловно, оказывают влияние на наш микробиом . Кроме того, большинство генов crAss-подобных фагов мало на что похожи и кодируют новые, пока неизвестные белки.

О разнообразии и интересной жизни бактериофагов расскажет статья «Пожиратели бактерий: убийцы в роли спасителей» [3]. — Ред.

Микробиом кишечника настолько разнообразен по составу и функциям, что о нём можно написать десятки работ! Вот лишь несколько из опубликованных на «Биомолекуле»: «Микробиом кишечника: мир внутри нас», «Чего от нас хотят микробы?», «Микробные фармацевты внутри нас. Человеческий микробиом — спаситель и убийца» и «Кишечная микрофлора: третий нелишний в иммунотерапии рака» [4–7]. — Ред.

Российские и американские ученые, среди которых специалисты Сколковского института науки и технологий, нашли crAss-подобный вирус — ?14:2, удобно культивируемый в лаборатории, и, используя его как модель, разобрались, каким образом crAss-подобные фаги транскрибируют свои гены [8]. Фаг ?14:2 поражает бактерию Cellulophaga baltica. Один из его генов кодирует большой белок gp66 (2180 аминокислотных остатков, а. о.), аминокислотная последовательность которого содержит маленький участок (всего 50 а. о.), похожий на фрагмент одной из субъединиц клеточных РНК-полимераз. Этот участок включает мотив, содержащий три абсолютно консервативных остатка аспартата, которые в многосубъединичных РНК-полимеразах координируют ионы магния и образуют каталитический центр фермента. Чтобы изучить функции gp66 и его ортологов в других crAss-подобных фагах, ученые экспрессировали ген белка gp66 в клетках кишечной палочки E. coli, очистили белок и показали, что он действительно может синтезировать РНК по матрице ДНК в присутствии ионов магния. И это несмотря на то, что gp66 похож на обычные РНК-полимеразы лишь своим крошечным фрагментом (менее 3% от всей величины белка). Вот уж поистине иголку в стоге сена нашли и предсказали биоинформатики!

Какова роль gp66 в жизненном цикле вируса? Чтобы изучить функции gp66 in vivo, исследователи добавили к инфицированным клеткам бактерий C. baltica рифампицин — антибиотик, который блокирует работу бактериальных РНК-полимераз, но не действует на gp66. Под действием рифампицина с течением времени вирусных транскриптов в зараженных клетках становилось все больше, а бактериальных — все меньше. Стоит отметить, что гены вируса ?14:2, как и других вирусов, экспрессируются в зараженной клетке не одновременно. Первой начинается экспрессия так называемых ранних генов, к числу которых относятся гены, кодирующие компоненты репликативного аппарата (на них приходится около трети генома ?14:2). Далее «включаются» средние гены — гены экспрессионого модуля. Последними экспрессируются поздние гены, которые кодируют белки капсида. Анализ вирусных транскриптов показал, что рифампицин подавлял экспрессию поздних и средних генов, не влияя на экспрессию ранних. Исследователи сделали вывод, что за транскрипцию ранних генов отвечает именно белок gp66, который попадает в инфицированную клетку вместе с вирусным геномом. Кроме того, ранние гены ?14:2 не имеют особых мотивов, характерных для бактериальных промоторов (они известны как элементы –35 и –10 по месту своего нахождения относительно точки начала транскрипции). Зато эти мотивы есть в промоторах средних и поздних генов. Более того, эксперименты показали, что бактериальная РНК-полимераза успешно распознает такие промоторы in vitro. Таким образом, ранние гены ?14:2 транскрибирует его собственная РНК-полимераза — gp66, — а для экспрессии средних и поздних генов требуется РНК-полимераза клетки-хозяина.

Самый достоверный и точный способ узнать, как именно функционирует белок, — разрешить его пространственную структуру. Но для этого необходимо получить кристаллы белка, что часто становится весьма нетривиальной задачей, особенно для таких больших белков, как gp66. Однако исследователи смогли кристаллизовать gp66 и получить его структуру с разрешением в 3,5 ангстрем с помощью рентгеноструктурного анализа.

По структуре gp66 оказался наиболее близок к РНК-полимеразе QDE-1 грибка Neurospora crassa, которая участвует в синтезе малых интерферирующих РНК (рис. 1) [9]. Стоит, однако, отметить, что высокая степень сходства между gp66 и эукариотическими РНК-полимеразами, синтезирующими малые интерферирующие РНК, наблюдается лишь в областях белков, критически важных для выполнения основных функций. РНК-полимераза gp66 значительно больше, чем QDE-1, и имеет много дополнительных доменов с пока неизвестными функциями.

Продолжение в источнике: https://biomolecula.ru/articles/virusnaia-rnk-polimeraza-okazalas-dalnim-rodstvennikom-kletochnykh-rnk-polimeraz

Источник: m.vk.com

Комментарии: