Специалисты из Московского физико-технического института (МФТИ) выявили новое семейство ультракоротких белков, которые помогают вирусам, поражающим бактерии (бактериофагам), и плазмидам обходить клеточные защитные механизмы. Эти белки воспроизводят структуру ДНК, подавляя функционирование бактериальной системы рестрикции-модификации, что обеспечивает защиту инородного генетического материала. Данное открытие демонстрирует новый эволюционный механизм и может послужить основой для разработки перспективных инструментов генной инженерии. Результаты исследования представлены в журнале Journal of Bacteriology.
Для бактерий главным механизмом защиты от инородной генетической информации являются системы рестрикции-модификации (РМ-системы), например, ДНК бактериофагов. Суть работы систем в том, что они распознают и разрезают непривычные последовательности ДНК. В ответ на это у мобильных генетических элементов, таких как плазмиды (и существуют в виде небольших фрагментов ДНК, которые отделены от хромосом и способны к самовоспроизведению транспозоны (в процессе эволюции появились белки-антирестриктазы, которые способны обходить РМ-системы. Они имитируют ДНК, чтобы защитить собственную генетическую информацию от повреждения.
На сегодняшний день наиболее пристальное внимание уделялось изучению именно этого семейства белков ArdA, обнаружены молекулы, воспроизводящие структуру и поверхностный заряд двойной спирали ДНК. В результате анализа бактериальных геномов ученые из МФТИ сделали неожиданное открытие: они выявили новое семейство генов, которые кодируют родственные белки, выполняющие ту же защитную функцию, но отличающиеся тем, что они примерно в три раза меньше по размеру, чем классические ArdA. Это семейство получило название sArdA (small ArdA).
«В ходе исследования было установлено, что эти небольшие белки формируют две обособленные группы, находящиеся в состоянии эволюционного равновесия. Одна из них имеет структурное сходство с N-концевым доменом полноценного белка ArdA, а другая – с его C-концевым доменом. Эти подсемейства получили названия sArdN и sArdC », – рассказала первый автор работы, инженер лаборатории молекулярной генетики МФТИ Анна Уткина .
Для изучения механизма, посредством которого новые белки нейтрализуют бактериальные защитные механизмы, исследователи использовали искусственный интеллект (алгоритм) для создания компьютерной модели их взаимодействия AlphaFold3). Результаты моделирования показали, что оба мини-белка способны подавлять активность основного фермента системы защиты, однако для этого они применяют различные молекулярные механизмы.
Для подтверждения того, что открытые гены отвечают за синтез функциональных белков, ученые внесли их в геном модельного организма – бактерии Escherichia coli. Проведенные тесты с использованием бактериофагов продемонстрировали, что оба белка обеспечивают защиту вирусной ДНК, однако делают это выборочно. Каждый из них наиболее эффективно подавляет определенный тип бактериальной системы защиты, распознающей строго заданную последовательность нуклеотидов в ДНК.
«Согласно нашим исследованиям, специфическое взаимодействие белков, имитирующих ДНК, с целевыми молекулами возможно даже при использовании коротких белковых структур. Их способность селективно подавлять различные белки, связывающиеся с ДНК, делает их многообещающим средством для управления внутриклеточными процессами, такими как регуляция экспрессии генов », – пояснила руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики МФТИ Анна Кудрявцева.
Исследования, проводимые специалистами МФТИ, способствуют развитию как фундаментальной науки, поскольку они проливают свет на новые аспекты молекулярной мимикрии, так и биотехнологий. Установлено, что короткие белки, имитирующие ДНК, обладают высокой специфичностью и сохраняют свою функциональность. В будущем это может открыть путь к разработке компактных и действенных инструментов для молекулярной биологии, позволяющих осуществлять избирательное управление работой различных ферментов, взаимодействующих с ДНК. Кроме того, такие регуляторы способны послужить основой для создания инновационных методов лечения болезней, вызванных отклонениями в работе генома.
Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 24-74-00024.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ