DNK je, po svojoj prirodi, molekul informacije. Kada ćelija treba da napravi njenu kopiju, postojeći lanac DNK služi kao šablon za izgradnju novog. Kod obrnute transkripcije, koju koriste neki virusi i drugi biološki sistemi, ulogu šablona može da preuzme RNK.
Sada su naučnici opisali izuzetno neobičan mehanizam u kome se jedan lanac DNK pravi uz pomoć RNK, dok se njegov komplementarni partner sintetiše bez ijednog nukleinskog lanca kao šablona. Umesto njega, specifični delovi proteina usmeravaju koji će se nukleotidi ugrađivati u novonastalu DNK.
Reč je o odbrambenom sistemu bakterija poznatom kao DRT3, odnosno „defens-asociranoj reverznoj transkriptazi“ (defense-associated reverse transcriptase). Istraživači su pokazali da ovaj sistem koristi dve različite reverzne transkriptaze: DRT3a i DRT3b, koje nezavisno prave dva komplementarna lanca DNK, a zatim se oni spajaju u dvolančani molekul.
Da bi se razumelo zašto je ovo otkriće neobično, potrebno je podsetiti se na osnovni princip izgradnje DNK.
DNK se sastoji od četiri baze: adenina (A), citozina (C), guanina (G) i timina (T). One se uparuju po strogo određenim pravilima: A sa T, a C sa G.
Zahvaljujući tome, dva lanca DNK sadrže informaciju koja omogućava kopiranje jedan drugog. Kada se DNK udvostručuje, njena dva lanca se razdvajaju, a svaki od njih služi kao šablon za izgradnju novog komplementarnog lanca.
Na primer, ako jedan lanac ima redosled baza A-G-C-T, novi komplementarni lanac moraće da ima redosled T-C-G-A.
Postoji i druga mogućnost. Enzimi poznati kao reverzne transkriptaze mogu da koriste RNK kao šablon za pravljenje DNK. Upravo tako, između ostalog, funkcionišu retrovirusi; DRT3, međutim, pokazuje da biološki sistemi mogu da odu još jedan korak dalje.
Naučnici su proučavali DRT3 sistem u bakteriji Escherichia coli, u kojoj on predstavlja deo odbrane od bakteriofaga, virusa koji napadaju bakterije.
Sistem se sastoji od dve reverzne transkriptaze, DRT3a i DRT3b, kao i nekodirajuće RNK koja učestvuje u procesu. DRT3a funkcioniše na način koji je bliži onome što očekujemo od reverzne transkriptaze: koristi kratku, ponavljajuću sekvencu u RNK kao šablon i na osnovu nje sintetiše DNK. Rezultat je ponavljajući lanac sa naizmeničnim bazama, odnosno polimeri tipa poli-(dTdG). DRT3b je mnogo neobičniji.
Ovaj enzim pravi komplementarni lanac DNK, ali u njegovom aktivnom mestu nema nukleinske kiseline koja bi služila kao šablon. Umesto toga, specifični aminokiselinski ostaci samog proteina postavljeni su tako da usmeravaju ugradnju određenih nukleotida.
Drugim rečima, struktura proteina određuje redosled u kome će se nukleotidi dodavati u novi lanac DNK.
Krioelektronska mikroskopija omogućila je istraživačima da vide strukturu ovog kompleksa na veoma visokoj rezoluciji i da utvrde kako aminokiselinski ostaci u aktivnom mestu DRT3b kontrolišu naizmeničnu ugradnju dezoksicitidina i dezoksiadenozina. Tako nastaje ponavljajući lanac tipa poli-(dCdA), komplementaran lancu koji proizvodi DRT3a.
Upravo je ovaj deo otkrića najneobičniji. U klasičnoj slici molekularne biologije, genetička informacija se prenosi između DNK, RNK i proteina na dobro poznate načine. DNK služi kao osnova za sintezu RNK, a RNK nosi informaciju koja se koristi za proizvodnju proteina. Reverzna transkripcija omogućava i prenos informacije sa RNK nazad na DNK.
U sistemu DRT3, međutim, specifičnost sekvence jednog lanca DNK nije određena drugom nukleinskom kiselinom. Ona je, u određenom smislu, ugrađena u samu strukturu proteina.
Kako je objasnio biohemičar Semjuel Sternberg sa Univerziteta Kolumbija: „Umesto da kopira jedan lanac DNK kako bi napravio drugi, što se dešava tokom normalne replikacije DNK, ovaj sistem koristi dve različite reverzne transkriptaze koje nezavisno proizvode dva komplementarna lanca. Jedan enzim kopira RNK šablon, dok drugi koristi aminokiseline u samom proteinu da odredi koji će se gradivni blokovi DNK dodavati.“
Sternberg dodaje da se dva tako nastala lanca potom spajaju i formiraju dvolančanu DNK.
To znači da dva lanca istog molekula DNK ne nastaju jedan kopiranjem drugog. Jedan dobija informaciju od RNK, drugi od strukture proteina, a tek nakon toga dva lanca pronalaze jedan drugi i uparuju se.
Istraživači su do ovog zaključka došli kombinacijom biohemijskih eksperimenata i strukturnih analiza.
Već su znali da DRT3b može da proizvede vrlo specifičnu ponavljajuću DNK bez RNK koja bi služila kao šablon. Ali nije bilo jasno kako enzim uspeva da kontroliše redosled ugrađivanja nukleotida.
Ključni trenutak usledio je kada su naučnici pomoću krioelektronske mikroskopije videli DNK proizvod unutar enzima. Struktura je pokazala da se određeni aminokiselinski ostaci nalaze upravo na pozicijama na kojima mogu da kontrolišu koje će baze biti ugrađene.
„Pravi trenutak otkrića došao je sa biohemijskim eksperimentima i strukturom dobijenom krio-EM metodom. Hiroši Nišimasu i njegov tim mogli su da vide DNK proizvod unutar enzima, a struktura je postavila ove dve aminokiseline tačno na mesta koja su mogla da objasne naizmeničnu sekvencu“, rekao je Sternberg.
To je dovelo do neobične hipoteze: protein sam po sebi određuje sekvencu DNK koja nastaje.
Da bi proverili da li je to zaista slučaj, istraživači su izmenili aminokiselinske ostatke za koje su sumnjali da imaju ključnu ulogu. Kada su ih promenili, sinteza DNK i antivirusna funkcija sistema su se poremetile.
Eksperimenti su tako potvrdili da su ti delovi proteina neophodni za neobičan način sinteze DNK.
Ali zašto bi bakteriji uopšte trebalo nešto ovako? DRT3 nije evoluirao kao neobičan način kopiranja DNK samo radi elegantnog molekularnog trika. Njegova uloga je odbrana bakterije od virusa.
U normalnim uslovima, DNK koju proizvodi DRT3 ne akumulira se u velikim količinama. Za to je, između ostalog, zadužen enzimski sistem RecBCD, koji razgrađuje DNK i predstavlja jedan od mehanizama bakterijske odbrane od stranih genetičkih materijala.
Neki bakteriofagi, međutim, proizvode proteine koji blokiraju RecBCD. Naizgled, virus time pokušava da ukloni jednu od najvažnijih prepreka koja stoji na putu njegovog razmnožavanja.
Ali upravo tu nastaje zamka. Kada virus blokira RecBCD, uklanja se i „kočnica“ koja sprečava nagomilavanje DNK proizvedene sistemom DRT3. DNK počinje da se akumulira, a posledica je prestanak rasta bakterijske ćelije.
Takozvana abortivna infekcija predstavlja vrstu žrtvovanja zaražene ćelije: bakterija prestaje da bude pogodna sredina za razmnožavanje virusa, čime se ograničava njegovo širenje na druge bakterije. Istraživači su pokazali da je DRT3 toksičan u ćelijama kojima nedostaje RecBCD, dok virusni protein Gam, koji inhibira RecBCD, može da pokrene ovaj odbrambeni odgovor.
Sternberg je to objasnio ovako: „Virus pokušava da onemogući RecBCD zato što je RecBCD sam po sebi važna antivirusna odbrana. Ali time što ga onemogućava, virus nenamerno uklanja kočnicu sa DRT3.“
Drugim rečima, virus pokušava da zaobiđe jedan odbrambeni mehanizam bakterije, ali time aktivira drugi. Možda je ovo samo jedan primer mnogo šireg fenomena.
Ovo otkriće otvara pitanje koliko još neobičnih mehanizama sinteze nukleinskih kiselina postoji u bakterijskim odbrambenim sistemima, a koje još nismo otkrili.
Sistemi DRT već su poznati po tome što koriste različite, nekonvencionalne načine proizvodnje DNK. DRT3 sada pokazuje da u istom odbrambenom sistemu mogu da budu kombinovana dva potpuno različita načina zadavanja sekvence: jedan zasnovan na RNK, a drugi na strukturi proteina.
Sternberg smatra da bi DRT3 mogao da bude samo vrh ledenog brega.
„Moja sumnja je da je ovo samo vrh ledenog brega. Ne verujem da je DRT3b jedini enzim sposoban za ovakvu nekonvencionalnu sintezu DNK. Da li postoji mnogo drugih proteina koji koriste upravo ovaj mehanizam, u kome aminokiseline određuju šablon, tek treba da se utvrdi, ali bio bih iznenađen kada bi priroda ovo izmislila samo jednom.“
On dodaje da u bakterijskim imunskim sistemima verovatno postoji „ogromna količina još neistražene enzimologije“.
Iako otkriće zvuči kao da je protein dobio sposobnost da direktno „prevodi“ bilo koju aminokiselinsku sekvencu u bilo koju DNK sekvencu, rezultati za sada ne pokazuju tako nešto.
DRT3b proizvodi veoma specifičnu, ponavljajuću DNK sekvencu, a njena specifičnost proizlazi iz preciznog rasporeda aminokiselinskih ostataka u aktivnom mestu enzima. Nije pokazano da ovaj sistem može jednostavno da se programira tako da proizvodi proizvoljne DNK sekvence.
Ipak, sama činjenica da enzim može da sintetiše DNK bez nukleinske kiseline kao šablona menja naše razumevanje onoga što su molekularne mašine sposobne da urade.
DRT3 pokazuje da priroda ne mora uvek da se drži uobičajenog pravila po kome jedan lanac nukleinske kiseline služi kao uputstvo za izgradnju drugog. U ovom slučaju jedan lanac dobija informaciju od RNK, drugi od strukture proteina, a njihovo udruživanje u dvolančanu DNK dešava se tek nakon nezavisne sinteze.
Upravo zbog toga ovo otkriće nije samo još jedna neobičnost bakterijskog imuniteta. Ono pokazuje koliko različitih načina priroda može da pronađe za čuvanje, prenos i kontrolu molekularne informacije, čak i kada su u pitanju molekuli koje decenijama smatramo dobro poznatim.
Izvor: rts
