РНК-полимераза бактериофага помогает понять эволюцию эукариот

КрАсс-подобные бактериофаги представляют собой группу вирусов, наиболее распространенную в кишечнике человека. Красс-подобные фаги впервые были открыты в данных секвенирования человеческого метагенома. Их геномы были собраны из контигов, полученных из множества образцов, то есть при помощи метода Cross Assembly, который и дал название бактериофагам. Оказалось, что риды, соответствующие КрАсс-фагам, составляют до 90% всех ридов, приходящихся на виром. При этом поиск совпадений в базах данных для большинства белков этой группы фагов не дает никаких результатов. Вероятно, поэтому эти вирусы так долго не могли обнаружить, несмотря на их многочисленность.

У всех КрАсс-подобных фагов есть ген белка, имеющий небольшое, но достоверное сходство с клеточными ДНК-зависимыми РНК-полимеразами и содержащий аминокислотные мотивы, характерные для их каталитических сайтов. Исходя из этого, исследователи предположили, что данный белок может быть РНК-полимеразой. Чтобы проверить эту гипотезу, использовали gp66 — соответствующий белок одного из КрАсс-подобных бактериофагов, phi14:2. Оказалось, что in vitro он способен транскрибировать одноцепочечную ДНК. Как и для клеточных РНК-полимераз, для активности gp66 критически необходимы мотив DFDID, а также ионы магния.

In vivo, в клетке хозяина phi14:2 — бактерии Cellulophaga baltica, ингибирование бактериальной РНК-полимеразы сильно подавляло транскрипцию средних и поздних генов, но на ранние практически не оказывало влияние. Причина в том, что ранние гены бактериофага транскрибирует не хозяйская полимераза, а gp66. Белки, соответствующие ранним генам, связаны с репликацией, средние и поздние участвуют в экспрессии генов и формировании капсида.

Ученым также удалось получить структуру белка gp66. Наиболее сходны с ним ДНК/РНК-зависимые РНК-полимеразы QDE-1 Neurospora crassa и ее гомологи у других эукариот. Эти ферменты синтезируют короткие РНК, участвующие в РНК-интерференции. Структуры белков имеют некоторые схожие домены, каталитический мотив, петлю, которая в эукариотических полимеразах направляет рибонуклеотид в активный сайт, и спираль, необходимую для перемещения полимеразы вдоль матрицы. Однако общее сходство составляет всего около 8%.

— Это первая опубликованная структура так называемой неканонической РНК-полимеразы. Все остальные РНК-полимеразы, для которых были определены структуры, очень похожи друг на друга. Это важный вклад в область изучения транскрипции генов. Сейчас у нас есть еще несколько структур неканонических РНК полимераз из других фагов, которые мы готовим к публикации, — говорит соруководитель исследования Мария Соколова, старший преподаватель Центра наук о жизни Сколковского института наук и технологий.

Задача, решенная в ходе исследования, была нетривиальной и с методической точки зрения. КрАсс-подобные бактериофаги очень сложно культивировать.

— Именно поэтому их до сих пор практически не изучили, не считая биоинформатических подходов, — объясняет Мария Соколова. — Даже с тем фагом, с которым мы работаем, это сложно. У нас в лаборатории, если новый человек начинает работать с этой системой, то примерно месяц у него уходит на то, чтобы просто научиться культивировать этих бактерию и фага. Условия, конечно, сильно отличаются от культивирования других, «привычных» бактерий и их фагов.

Исследователи полагают, что РНК-полимеразы, участвующие в РНК-интерференции, общие предки эукариот могли приобрести благодаря бактериофагу, заразившему протомитохондриального эндосимбионта. Эта гипотеза была предложена еще17 лет назад на основе биоинформатического анализа.

— В то время наша гипотеза относительно происхождения РНК-зависимых РНК-полимераз, вовлеченных в РНК-интерференцию, выглядела спекулятивной, но теперь, после структурного сравнения, это можно считать доказанным, — говорит Евгений Кунин один из ведущих авторов статьи 2003 года, который принял участие и в новой работе. Кунин — эксперт с мировым именем в области компьютерной и эволюционной биологии, сотрудник Национального центра биотехнологической информации Национальных институтов здравоохранения США.

Надо отметить, что РНК-полимераза phi14:2 является ДНК-зависимой, в отличие от полимеразы, участвующей в подавлении экспрессии генов. «Переход от ДНК к РНК-матрицам не может быть совершенно неожиданным, полимеразы меняли матрицы от ДНК к РНК и обратно несколько раз в эволюции», — комментирует Евгений Кунин.