Ученые из МФТИ открыли новое семейство ультракоротких белков, позволяющих вирусам бактерий (бактериофагам) и плазмидам преодолевать клеточную защиту. Эти белки имитируют структуру ДНК, блокируя работу бактериальной «иммунной» системы (рестрикции-модификации) и защищая таким образом чужеродный генетический материал. Открытие может стать основой для будущих инструментов генной инженерии. Результаты исследования опубликованы в Journal of Bacteriology.
У бактерий одним из инструментов защиты от чужеродного генетического материала служат системы рестрикции-модификации (РМ-системы), например, ДНК бактериофагов. Суть работы систем в том, что они распознают и разрезают непривычные последовательности ДНК. В ответ на это у мобильных генетических элементов, таких как плазмиды (небольшие молекулы ДНК, физически обособленные от хромосом и умеющие создавать свои копии) и транспозоны (участки ДНК, способные к передвижению и размножению в пределах генома), эволюционировали белки-антирестриктазы. Они «обманывают» РМ-системы, мимикрируя под ДНК, и таким образом защищают собственную генетическую информацию от разрушения.
До сих пор наиболее изученным семейством таких белков были ArdA, которые имитируют структуру и поверхностный заряд двойной спирали ДНК. Учёные из МФТИ в ходе анализа бактериальных геномов совершили неожиданное открытие: они обнаружили новое семейство генов, кодирующих родственные (гомологичные) белки с той же защитной функцией, но имеющие принципиальное отличие – они примерно в три раза короче классических ArdA. Это семейство было названо sArdA (small ArdA).
«Мы обнаружили, что эти маленькие белки образуют две отдельные эволюционно стабильные подгруппы. Одна из них структурно похожа на N-концевой домен полноразмерного белка ArdA, а другая – на его C-концевой домен. Мы назвали эти подсемейства sArdN и sArdC соответственно», – рассказала Анна Уткина, первый автор работы, инженер лаборатории молекулярной генетики МФТИ.
Чтобы понять, как новые белки обезвреживают защиту бактерий, ученые смоделировали их взаимодействие с помощью искусственного интеллекта (алгоритма AlphaFold3). Моделирование подтвердило, что оба мини-белка эффективно блокируют работу ключевого фермента системы защиты, но используют для этого разные молекулярные стратегии.
Чтобы доказать, что открытые гены кодируют рабочие белки, исследователи перенесли их в модельный микроорганизм – кишечную палочку. Тесты с бактериальными вирусами показали: оба белка защищают вирусную ДНК, но делают это избирательно. Каждый из них лучше всего подавляет «свою» мишень – тип бактериальной защитной системы, узнающий строго определенную последовательность ДНК.
«Наши данные показывают, что специфичность связывания белков, мимикрирующих под ДНК, со своей мишенью может достигаться и очень короткими белками. Способность этих белков избирательно ингибировать разные ДНК-связывающие белки делает их перспективным инструментом для регулирования внутриклеточных процессов, например, экспрессию генов», – пояснила Анна Кудрявцева, руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики МФТИ.
Работа исследователей МФТИ вносит вклад как в фундаментальную науку, раскрывая новые механизмы молекулярной мимикрии, так и в область биотехнологий. Она показала, что короткие ДНК-мимикрирующие белки сохраняют высокую специфичность и функциональность. В перспективе это может привести к созданию компактных и эффективных инструментов для молекулярной биологии, позволяющих избирательно контролировать работу различных ферментов, взаимодействующих с ДНК. Также подобные регуляторы могут лечь в основу новых подходов к терапии заболеваний, связанных с нарушениями в работе генома.
Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 24-74-00024
