Бактерии нарушили главную догму биологии, создавая новые гены

Вы помните классическую догму из учебника? ДНК → РНК → белок. Информация идёт строго в одну сторону. Потом выяснилось, что некоторые вирусы, вроде ВИЧ, умеют её нарушать: у них есть фермент обратная транскриптаза, который по РНК делает ДНК и встраивает её в наш геном. Хитро, не спорю.

Но бактерии, как выяснилось, пошли дальше. Совсем дальше. Они взяли эту «запрещённую» технологию и превратили её в инструмент для творчества.

Генетики обнаружили, что бактериальная обратная транскриптаза берёт РНК вторгшегося вируса и использует её как черновик. Но не для копирования, а для создания чего-то абсолютно нового! Она записывает в ДНК бактерии совершенно новые гены, которых там раньше не было. Эти гены затем включаются в работу и производят защитные белки. Представьте: вторгся враг, а клетка в ответ изобретает и патентует прямо на месте новое оружие. Гениально?

«Это сумасшедшая молекулярная биология, — говорит Од Бернхейм из Института Пастера, не участвовавшая в исследовании. — Я бы никогда не догадалась, что существует такой механизм». Согласен. Это ломает все привычные представления.

Система, которая может превзойти CRISPR

Мы все восхищаемся CRISPR — точными генетическими ножницами, которые бактерии используют для защиты. Но оказалось, есть кое-что ещё более загадочное. У некоторых бактерий обнаружилась защитная система, содержащая ген обратной транскриптазы и странный, ни на что не похожий кусок РНК.

Чтобы понять, как это работает, команда учёных из Колумбийского университета во главе с Стивеном Тангом и Сэмюэлем Штернбергом изучила бактерию Klebsiella pneumoniae. Они нашли в её ДНК очень длинные, повторяющиеся последовательности. Каждый повтор соответствовал тому самому загадочному участку РНК. Это было начало разгадки.

Бесконечная петля, создающая белок

Объяснение оказалось элегантным. Длинная молекула РНК может складываться в петли, как шнурок. Обратная транскриптаза начинает «бегать» по этой петле снова и снова, записывая один и тот же фрагмент РНК в ДНК много раз подряд. Так и рождается длинная повторяющаяся последовательность.

Из этих повторов собирается ген, кодирующий невероятный белок. Его назвали Neo. Он особенный: у него нет стоп-сигнала, который обычно говорит «стоп, белок готов». Это бесконечный, в каком-то смысле, белок. Исследователи выяснили, что вирусная инфекция запускает производство Neo, и он останавливает деление заражённой клетки, не давая вирусу размножаться. Как именно он это делает — пока тайна.

Структура белка Neo меняется в зависимости от того, какая часть РНК была считана, образуя причудливые спирали. «Как именно вирус включает производство Neo — это то, что мне очень хотелось бы узнать», — признаётся Бернхейм. Мне тоже.

Это меняет всё

Открытие того, что обратная транскриптаза может быть не копировальным аппаратом, а генератором новых генов, повергло научное сообщество в лёгкий шок. «Это похоже на биологию инопланетных организмов», — написал в своём блоге Исраэль Фернандес.

«Их результаты ошеломляют, — говорит молекулярный биолог Николас Торо Гарсиа. — Это поможет нам в разработке новых биотехнологий». Одно можно сказать точно: наш взгляд на геном как на что-то статичное и неизменное больше не работает.

Как метко подвёл итог Сэмюэль Штернберг: «Это должно изменить наш взгляд на геном». И он абсолютно прав. Получается, геном — это не только библиотека, но и мастерская, где можно собирать новые инструменты прямо во время кризиса. По-моему, это одна из самых красивых идей, которые рождала природа.