Уже несколько десятков лет учёные пытаются разгадать тайну крошечных вирусов, чей генетический материал можно читать как в обычном (прямом), так и в обратном порядке. В новом исследовании заложены основы для объяснения этого загадочного свойства.
В 1971 году микробиологи, исследовавшие клетки дрожжей, обнаружили странные инородные фрагменты РНК, оказавшиеся вирусами. Эти «нарнавирусы» (термин, полученный путём сокращения выражения naked RNA viruses) имели весьма необычные свойства. Во-первых, они были крошечными: каждый, в сущности, представлял собой один-единственный ген, кодирующий фермент, помогающий вирусу создавать свои копии. Во-вторых, в отличие от других одноцепочечных РНК-вирусов, таких как Эбола и вирусы гриппа, у этих не было «капсидной» оболочки, защищающей их генетический материал, в результате чего они остаются открытыми и вынуждены существовать лишь в пределах клеток-хозяев.
Вдобавок — и это самое странное — оказалось, что нарнавирусы позволяют проводить считывание в обратном порядке.
Обычно последовательность нуклеотидных оснований, которые составляют ген, — в РНК это аденин, цитозин, гуанин и урацил, сокращённо A, C, G и U — имеет значение лишь в том случае, когда синтезирующие белки органеллы, именуемые рибосомами, декодируют информацию, начиная с какого-то одного места и проводя считывание в одном направлении. Иногда у частей генома есть перекрывающиеся последовательности, которые кодируют разные белки. Что касается нарнавирусов, то у них весь геном — это перекрывающаяся последовательность: его можно читать в режиме «обратной комплементарности». То есть их РНК похожа на амбиграмму — стилизованный текст, который продолжает о чём-то сообщать даже тогда, когда его повернули так, что его конец превратился в начало.
«Такие открытия, раздвигающие границы наших знаний о том, как кодируется информация, всегда поразительны и интересны», — говорит Харрис Ван (Harris Wang), системный биолог из Колумбийского университета (Columbia University).
Каков практический смысл чтения генома нарнавируса в противоположном направлении и почему этот геном читается в обе стороны, остаётся загадкой. Но недавно калифорнийские учёные, возможно, разгадали её, сделав открытия, позволяющие выдвинуть неожиданную гипотезу. Амбиграмматичность нарнавирусов может представлять собой умный механизм самосохранения, способный значительно дополнить картину эволюции вирусов и послужить основой для разработки новых методов генной терапии.
«Я думаю, что у истории с этими вирусами-амбиграммами будет продолжение», — считает Майкл Уилкинсон (Michael Wilkinson), физик из Открытого университета (The Open University) в Англии и «Биохаба Чан — Цукерберга» (Chan Zuckerberg Biohub), института биомедицинских исследований, находящегося в районе Мишн-Бей Сан-Франциско, где и проводились исследования калифорнийских учёных.
Чтобы понять, почему обширный набор перекрывающихся генов не является нормой, нужно знать, как РНК и ДНК передают информацию. Они записывают свои инструкции по производству того или иного белка в виде последовательности «кодонов» — трёхбуквенных слов, таких как CGA. Каждый кодон предписывает клетке либо синтезировать аминокислоту (строительный блок белка), либо завершить белковый синтез.
Существует три способа считывания нити РНК, различающиеся тем, какая буква интерпретируется как начало кодона. Однако обычно имеет смысл только одна «открытая рамка считывания». Две другие имеют в неправильных местах стоп-кодоны, делающие прерываемые ими генетические фрагменты бессмысленными и неспособными к образованию нормально функционирующих белков.
Как и аудиозапись, запущенная задом наперёд, нить РНК с обратной комплементарностью, как правило, не несёт никакого смысла. Она представляет собой цепочку, которая возникает при репликации РНК. В этом процессе нуклеотидные основания РНК образуют пары с комплементарными нуклеотидами, плавающими в клетке-хозяине. Каждый нуклеотид A берёт себе в пару U, каждый U — A и каждый C — G, так что партнёры образуют комплементарную нить, шаблон для создания будущих копий оригинала. В этом шаблоне три рамки считывания обычно нечитабельны, беспорядочно замусорены стоп-кодонами.
Но, как отмечает Джозеф Деризи (Joseph DeRisi), биохимик из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, участвующий в исследованиях «Биохаба», РНК-вирусы — «одни из наиболее динамично эволюционирующих, наиболее разнообразно воспроизводящихся объектов нашей вселенной». В ходе эволюции вирусы иногда создают перекрывающиеся нуклеотидные последовательности, которые одновременно кодируют множество белков или осуществляют какую-то дополнительную регуляторную функцию. Хотя подавляющее большинство таких перекрытий, известных в настоящее время, работает при чтении только в одном и том же направлении, как две смещённые по отношению друг к другу открытые рамки считывания, в редких случаях, особенно в случае ВИЧ, перекрывающиеся рамки возникают с использованием обратной комплементарности РНК.
Нарнавирусы, как и ВИЧ, входят в эту вторую категорию, но входят особняком, ибо нарнавирусная амбиграмматическая последовательность имеет такой чудовищный размер, что охватывает почти весь геном. «В этом плане они бесподобны», — подчёркивает вирусолог Дэвид Карлин (David Karlin) из Оксфордского университета (University of Oxford). Указанное уникальное свойство имеет чрезвычайно жёсткий характер: потенциальную эволюцию прямой последовательности сковывает эволюция обратной. В связи с этим ещё в 70-х годах ХХ века исследователи заподозрили, что данная особенность даёт нарнавирусам какое-то неизвестное преимущество.
В прошлом году вирусолог из Кембриджского университета (University of Cambridge) Эндрю Фёрт (Andrew Firth) и его коллеги опубликовали в интернете препринт, в котором, рассмотрев различные скучные объяснения амбиграмматичности, отвергли все до одного. «Мы пришли к выводу, что обратная открытая рамка считывания является функционально важной, — заявил Фёрт. — Почему — мы ещё не знаем».
В ноябре в Scientific Reports команда «Биохаба» представила дополнительные доказательства эволюционной значимости данного свойства. Во-первых, проведя исследование генетических отношений, существующих между десятками видов нарнавирусов (не все из которых являются амбиграмматическими), они обнаружили, что в ходе эволюции эти вирусы приобретали и теряли характерные для них перекрывающиеся последовательности. «Фактически, это особенность, которая эволюционировала по меньшей мере дважды, а может, трижды или больше», — утверждает один из соавторов исследования биофизик Грег Хубер (Greg Huber).
Во-вторых, исследователи установили, что в амбиграмматических нарнавирусах рамки с противоположно направленным считыванием всегда выстроены по отношению друг к другу так, чтобы границы кодонов идеально совпадали. Это выравнивание, сделали вывод учёные, позволяет стоп-кодонам в процессе эволюции исчезать из обратной последовательности, не разрушая фермент репликации, кодируемый прямой последовательностью. То есть всякий раз, когда кодон в последовательности с прямой комплементарностью играет роль стоп-кодона при обратной комплементарности, этот прямой кодон теоретически можно заменить «синонимичным» кодоном, кодирующим ту же самую аминокислоту, и тем самым удалить без каких-либо последствий стоп-кодон из последовательности с обратной комплементарностью.
Такая возможность пропадает, если границы кодонов прямой и обратной рамок считывания образуют ступени. Получить совпадение границ, подчёркивает Деризи, «фактически можно лишь одним способом … и нарнавирусы используют его». «Отсюда следует, — добавляет калифорнийский биохимик, — что это не оплошность, случайно допущенная процессом эволюции».
Исследователи предположили, что для нарнавируса амбиграмматическая последовательность, как и в случае с другими известными перекрывающимися генами, является средством оптимизации эффективности кодирования. Обратная последовательность, по-видимому, не кодирует какой-то из известных белков, но взамен может регулировать ген, ответственный за репликацию, или способствовать повышению эффективности синтеза белков.
Однако позже, пару месяцев назад, группа исследователей «Биохаба» сделала удивительное открытие, которое, как выразился Уилкинсон, «указывает на возможность того, что объяснение причины должно быть несколько иным».
Исследователи анализировали генетический материал, полученный из измельчённых образцов комаров. Было известно, что в нём содержатся РНК нарнавирусов. Как и ожидалось, учёные смогли обнаружить много амбиграмматических нарнавирусных геномов. Интереснее другое: оказалось, что в клетках, содержащих РНК нарнавируса, нередко содержится ещё и второй, загадочный фрагмент РНК, который представляет собой более короткую, чем нарнавирусная, цепочку, но, несмотря на всю свою необычность, такой же полностью амбиграмматичный, как и РНК нарнавируса. Дальнейшее исследование, описанное в новом препринте, показало, что короткий фрагмент РНК и исходный ген нарнавирусов имеют общую историю эволюции. «Полученные результаты заставляют усомниться в нынешнем представлении о том, чем в первую очередь является нарнавирус, — говорит Хубер. — Может оказаться так, что он — не просто этот вот конкретный участок РНК, а такая конструкция, которая имеет более туманный характер».
По словам Эми Кистлер (Amy Kistler), исследовательницы инфекционных заболеваний из «Биохаба» и одной из соавторов, многочисленные амбиграмматические фрагменты РНК наводят на мысль, что амбиграмматичность «может как-то характеризовать вирусы — то, как они размножаются, как подчиняют себе клеточный механизм, чтобы самостоятельно воспроизводить себя в клетке».
Согласно одной из ведущих гипотез, вышеупомянутый второй фрагмент РНК воздействует на рибосомы — структуры, отвечающие за трансляцию РНК в цепочки аминокислот. Эта нить РНК, возможно, кодирует белок, предотвращающий отрыв рибосом от обеих нарнавирусных последовательностей. Если рибосомы не могут оторваться от РНК, они накапливаются до тех пор, пока не охватят весь генетический материал.
Это, по сути, маскировало бы нарнавирус, делая его похожим на часть клетки-хозяина и невидимым для клеточных процессов, которые в противном случае могли бы его разрушить. Обычно рибосомы скапливаются только вдоль прямых последовательностей, потому что цепочки с обратной комплементарностью — шаблоны репликации вирусной РНК — усеяны стоп-кодонами и не выглядят как пригодные для трансляции последовательности, к которым должны прикрепляться рибосомы. Чтобы нарнавирусная последовательность с обратной комплементарностью тоже собирала слой рибосом, ей следует быть амбиграмматической.
Поэтому исследователи утверждают, что амбиграмматичность в действительности представляет собой защитный механизм, возникший в ходе эволюции для того, чтобы бескапсидные вирусы могли обманывать защиту клетки-хозяина.
По мнению Уилкинсона, если такой вирус действительно использует механизм своей клетки-хозяина, чтобы прятаться, «это может оказаться весьма распространённым свойством». «Оно, — считает учёный, — может указывать на новый класс вирусов». Карлин, не участвующий в данном исследовании, согласен, что полученные результаты позволяют выдвинуть гипотезу о «новом биологическом континенте».
Трюк с камуфляжем, если он подтвердится, может помочь учёным сделать набор инструментов для редактирования генов более разнообразным. Например, рибосомные покрытия можно использовать для создания новых способов искусственного манипулирования экспрессией генов. По словам исследователей, ещё проще применить данный аспект амбиграмматичности для значительного увеличения полезной нагрузки некоторых видов генной терапии.
В настоящее время команда «Биохаба» под руководством аспирантки в лаборатории Деризи Ханны Реталлак (Hanna Retallack) проводит дополнительные эксперименты, надеясь конкретизировать создаваемую теорию и проверить дополнительные гипотезы. «На мой взгляд, с осторожным оптимизмом можно утверждать, что здесь есть кое-что принципиально новое», — говорит Уилкинсон.
