Описаны пути синтеза и включения в ДНК неканонического основания, заменяющего аденин у некоторых фагов

Азотистое основание диаминопурин (Z) было описано еще в 1977 году у фага цианобактерий S-2L. Тогда же было показано, что у этого фага Z полностью заменяет собой аденин (A). Диаминопурин формирует три водородные связи с тимином, нарушая правила канонического спаривания оснований по Уотсону–Крику. Однако механизмы биосинтеза этого неканонического основания, а также способ его встраивания в цепь ДНК долгое время были неизвестны.

Сразу две работы в последнем выпуске Science посвящены биосинтезу Z. В геноме S-2L и некоторых других фагов был найден ген, кодирующий PurZ — гомолог фермента аденилосукцинатсинтазы (PurA). PurA катализирует одну из стадий биосинтеза аденина. Авторы первого исследования изучили ферментативную активность PurZ на примере фага PhiVC8, поражающего Vibrio cholerae. Они показали, что PurZ представляет собой 2-аминодезоксиаденилосукцинатсинтазу, которая синтезирует N6-сукцино-2-амино-2′-дезоксиаденилат из дезоксигуанилата и аспартата. Из этого вещества впоследствии образуется 2-амино-2′-дезоксиаденозин-5′-трифосфат (dZTP), который и включается в состав ДНК. К тем же выводам пришли и авторы второго исследования. Они также показали, что гомологи PurZ имеются у фагов семейств Podoviridae и Siphoviridae, поэтому есть основания предполагать, что в состав их ДНК также входят неканонические пуриновые основания.

Еще в одной работе исследовали механизм включения dZTP в состав ДНК. Его присоединение к растущей цепочке ДНК катализирует полимераза DpoZ. Она схожа с фрагментом Кленова ДНК-полимеразы I Escherichia coli и лишена 5’-экзонуклеазного домена, однако сохраняет 3’-экзонуклеазный домен. Авторы работы отметили консервативную синтению (взаимное расположение) генов purZ и dpoZ у представителей семейства Siphoviridae. Это заставило их предположить, что ферменты сосуществовали у общего предка и эволюционировали вместе. Филогенетические деревья PurZ и DpoZ очень похожи, что подтверждает их древнее происхождение и совместную эволюцию. Примечательно, что DpoZ в качестве субстрата предпочитает аденину диаминопурин Z, в отличие от фрагмента Кленова.

Таким образом, в биосинтезе dZTP ключевую роль играет фермент PurZ, а включение азотистого основания Z в ДНК осуществляет фаговая полимераза DpoZ. Замена A на Z защищает ДНК фагов от действия бактериальных рестриктаз — защитной системы, уничтожающей посторонний генетический материал.