Международная группа биологов нашла фермент AvaS, который химически изменяет одну из «букв» транспортной РНК и тем самым влияет на чтение генетического кода у бактерий. Механизм обнаружили у синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa, а сама модификация, по выводам авторов, может участвовать в перестройке синтеза белков при изменении обмена веществ и клеточном стрессе.
Клетка считывает генетические инструкции тройками нуклеотидов, которые называют кодонами. Транспортная РНК, или тРНК, сопоставляет каждому кодону нужную аминокислоту, из которой затем собирается белок. Чтобы система не путала похожие команды, отдельные нуклеотиды тРНК получают дополнительные химические группы. Такие изменения не переписывают ДНК, а корректируют работу уже созданной молекулы РНК.
Учёные сосредоточились на редкой модификации цитидина под названием ava²C. Саму модификацию обнаружили несколькими годами ранее в транспортной РНК некоторых бактерий и растений, однако биохимический путь её появления оставался неизвестным. Новая работа показала, что AvaS превращает другую изменённую форму цитидина, лизидин k²C, в ava²C.
Для реакции AvaS использует пиридоксальфосфат, активную форму витамина B6. Ферменты с таким помощником хорошо известны биохимикам, но прежде их связывали главным образом с превращениями аминокислот и другими обменными процессами. Прямого участия пиридоксальфосфатзависимого фермента в химическом изменении тРНК раньше не показывали.
Нужный ген удалось выделить при проверке 5764 мутантных вариантов Pseudomonas aeruginosa. Когда исследователи отключали ген PA14_24190, модификация ava²C исчезала, а её предшественник k²C накапливался. После переноса того же гена в кишечную палочку Escherichia coli, которая в норме ava²C не производит, новая химическая форма появлялась. Опыты с очищенным белком отдельно подтвердили, что для превращения необходимы и AvaS, и пиридоксальфосфат.
Химическая замена происходит в особенно важной точке тРНК, участвующей в распознавании кодона AUA. Такой кодон обозначает аминокислоту изолейцин, но расположен очень близко к AUG, кодирующему метионин. Модифицированный цитидин помогает транспортной РНК отличать одну команду от другой и доставлять к растущему белку правильную аминокислоту.
При этом ava²C не просто обеспечивает распознавание AUA. В опытах с двумя флуоресцентными маркерами транспортная РНК с ava²C считывала AUA примерно вдвое менее эффективно, чем молекула с предшествующей модификацией k²C. Авторы предполагают, что более жёсткое связывание с рибосомой повышает точность распознавания, но одновременно может замедлять один из этапов синтеза белка.
Такое различие даёт бактериям потенциальный способ регулировать производство отдельных белков без изменения самих генов. У Pseudomonas aeruginosa кодон AUA встречается редко: среди трёх кодонов изолейцина на него приходится около 3%. Лишь 70 из 5905 изученных генов содержали четыре или более AUA, поэтому изменение скорости их считывания способно затрагивать относительно узкую группу белков.
Геномный анализ также связал количество ava²C с путями обмена веществ и клеточного ответа на стресс. Исследователи предлагают модель, согласно которой при определённых нарушениях бактерия может уменьшать долю ava²C и накапливать k²C, ускоряя чтение богатых AUA генов, среди которых встречаются гены, связанные с целостностью клеточной оболочки и факторами вирулентности. Пока такой механизм остаётся гипотезой, которую предстоит проверить отдельными опытами.
Аналогичная химическая модификация обнаружена не только у Pseudomonas aeruginosa, но и у Acinetobacter baumannii, а также у резуховидки Таля. Авторы намерены выяснить, насколько широко AvaS и похожие ферменты распространены среди живых организмов и можно ли вмешиваться в такую настройку тРНК. Потенциально механизм может подсказать новые подходы к воздействию на болезнетворные бактерии, однако работа пока описывает фундаментальную биохимию и не демонстрирует готового способа борьбы с устойчивостью к антибиотикам.
