Как пережить перепады температур в 160 °C, встречу с кислотой и засуху? К ответу на этот вопрос приблизились ученые из США и Франции, изучая структуру вирусов. Вероятно, в экстремальных условиях совсем разные организмы используют принципиально одинаковые способы защиты. Важную роль в этих процессах играют особые белки, изолирующие геном от агрессивных сред и стабилизирующие А-форму ДНК.
Реконструкция вируса SIRV2 из семейства Rudiviridae. Геном SIRV2 представлен ДНК в А-форме и упакован в «фантик» из молекул небольшого белка, который сам состоит из α-спиралей и по спирали же обволакивает ДНК, формируя палочковидную структуру. Видимо, это одна из самых устойчивых в экстремальных условиях биологических систем.
Все живые организмы сейчас разделяют на три домена: бактерии, археи и эукариоты. Археи были впервые отделены от других микроорганизмов (бактерий) Карлом Вёзе. Они могут обитать в самых экстремальных условиях: некоторые успешно размножаются даже при 100 °C. Археи живут в гейзерах, черных курильщиках и маслосборниках, переносят крайне кислые или щелочные среды. Конечно, это не единственные ниши, где можно найти представителей данного домена, но первые обнаруженные археи были обитателями сред с экстремально высокой температурой. Кроме явной любви к экстриму археи привлекают биологов своей особой ролью в эволюции. В теориях происхождения эукариот они занимают центральное место — играют роль предполагаемого предшественника клеточного ядра. Возможные пути эволюции архей, бактерий и эукариот ученые сейчас изучают биоинформатическими методами и порой приходят к неожиданным результатам.
Вирусам, которые паразитируют на некоторых археях, приходится воспроизводиться при температуре около 80 °C. К таким вирусам относится семейство Rudiviridae (от лат. rudis — тонкая палочка, прутик). Рудивирусы — уникальные биологические объекты: абсолютное большинство их генов не имеет гомологов в геномах других организмов.
Вирионы Rudiviridae устроены довольно просто. Они состоят из двух основных компонентов: генома в виде двухцепочечной ДНК и окутывающих его тысяч молекул специального белка. Несмотря на свою простоту, вирусные частицы могут обитать в экстремальных условиях — средах с высокой температурой (около +80 °C) и кислотностью (pH≈3). Интересно, что в цитоплазме архей — хозяев рудивирусов — сохраняются почти нейтральные условия (pH от 5,6 до 6,5). Таким образом, вирусам нужно переносить как контакт с кислотой, когда они находятся вне клетки хозяина, так и приспосабливаться к нейтральной среде, когда попадают внутрь археи, где Rudiviridae размножаются. Более того, вирусные частицы переносят перепады температур от –80 до +80 °C, сохраняя инфекционность. Очевидно, что этим вирусам приходится быть крайне устойчивыми, и в этом им помогают белки капсида.
Ученые из США и Франции решили выяснить, какую структуру в нативных условиях имеет рудивирус SIRV2 (Sulfolobus islandicus rod-shaped virus 2). Дело в том, что у вирусов нет активной системы противостояния экстремальным условиям, поэтому чаще всего они их не переносят. Значит, устойчивость рудивирусов связана с их молекулярным устройством. Удобным подходом к изучению молекулярных структур в их нативном виде является криоэлектронная микроскопия, а ключевым моментом метода — заморозка биологических молекул.
Результаты исследования показали, что ДНК вируса находится не в B-форме, обычной для физиологических условий, а в А-форме, более характерной для двуспиральных РНК или ДНК–РНК-гибридов. То есть рудивирусная ДНК представляет собой ту же правозакрученную двойную спираль, но с параметрами, несколько отличными от канонических.
Примерно половина каждой молекулы капсидного белка вируса в растворе не структурирована, но при взаимодействии с ДНК формирует α-спираль и укладывается вокруг ДНК тоже по спирали (см. заглавный рисунок). Такие плотно переплетенные между собой спирали защищают ДНК от соприкосновения с любым внешним раствором. Моделирование на основе криоэлектронной микроскопии показало, что главный гидрофобный барьер создают ароматические аминокислоты белка, экспонированные в раствор.
Получив такие данные, ученые задумались над хитросплетениями эволюции. Дело в том, что белковые молекулы с очень похожими свойствами есть не только у вирусов. Показано, что небольшие кислото-растворимые белки защищают ДНК спор грамположительных бактерий. Такие изначально неструктурированные биомолекулы, связываясь с ДНК, укладываются в α-спиральные структуры. То есть ведут себя точно так же, как и белки рудивирусов. Если ДНК максимально плотно упакована, то и у бактериальных спор, и у вирусов массовое соотношение белок к ДНК будет примерно 3:1 (у вирусов 3,5:1). Но самым интересным оказалось то, что связывание таких белков как раз и переводит ДНК из В- в А-форму.
Новые результаты в очередной раз навели ученых на мысль, что биологическая роль и распространенность А-формы ДНК недооценены. Вероятно, такая организация нуклеиновых кислот может служить защитой генома в экстремальных условиях — как минимум у бактерий и вирусов.
Такие белки, а возможно и малые молекулы смоделированные на основе свойств и трёхмерной структуры данных белков могли бы стать мощными антимутагенами или криопротекторами для сохранения культур клеток.
Источник: БИОМОЛЕКУЛА
