Международная группа биологов обнаружила фермент AvaS, который химически преобразует одну из компонент транспортной РНК и влияет на процесс чтения генетического кода у бактерий. Исследователи выявили этот механизм у синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa. Модификация может участвовать в перестройке синтеза белков во время изменения обмена веществ и при клеточном стрессе.
Клетка читает генетические инструкции тройками нуклеотидов, называемыми кодонами. Транспортная РНК сопоставляет каждому кодону нужную аминокислоту для построения белка. Чтобы избежать ошибок при распознавании похожих команд, отдельные нуклеотиды тРНК получают дополнительные химические группы. Эти изменения не переписывают ДНК, а корректируют работу уже созданной молекулы РНК.
Исследователи изучали редкую модификацию цитидина под названием ava²C. Её обнаружили несколько лет назад в транспортной РНК некоторых бактерий и растений, но биохимический путь её образования оставался неясным. Новое исследование показало, что AvaS преобразует другую модифицированную форму цитидина, лизидин k²C, в ava²C.
Для реакции AvaS использует пиридоксальфосфат — активную форму витамина B6. Ферменты с таким коферментом давно известны науке и обычно участвуют в преобразованиях аминокислот и других процессах обмена. Но прямое участие пиридоксальфосфатзависимого фермента в химическом изменении тРНК раньше не демонстрировали.
Нужный ген выделили при проверке 5764 мутантных вариантов Pseudomonas aeruginosa. Когда отключали ген PA14_24190, модификация ava²C исчезала, а её предшественник k²C накапливался. После введения того же гена в кишечную палочку Escherichia coli, которая не производит ava²C, новая форма появлялась. Опыты с очищенным белком подтвердили: превращение требует как AvaS, так и пиридоксальфосфата.
Химическая замена происходит в критически важном участке тРНК, участвующей в распознавании кодона AUA. Этот кодон кодирует аминокислоту изолейцин, но находится очень близко к AUG, который кодирует метионин. Модифицированный цитидин помогает тРНК различать эти две команды и доставлять к растущему белку правильную аминокислоту.
При этом ava²C не просто обеспечивает распознавание AUA. В экспериментах с флуоресцентными маркерами транспортная РНК с ava²C считывала AUA примерно в два раза менее эффективно, чем молекула с предшествующей модификацией k²C. Авторы предполагают, что более плотное связывание с рибосомой повышает точность распознавания, но одновременно замедляет один из этапов синтеза белка.
Это различие даёт бактериям 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%. Только 70 из 5905 изученных генов содержали четыре или более AUA, поэтому изменение скорости их считывания затрагивает относительно узкий набор белков.
Геномный анализ также связал количество ava²C с путями обмена веществ и клеточного ответа на стресс. Исследователи предлагают модель, в которой при определённых нарушениях бактерия может уменьшать долю ava²C и накапливать k²C, ускоряя чтение богатых AUA генов. Среди таких генов встречаются гены, связанные с целостностью клеточной оболочки и факторами вирулентности. Пока это остаётся гипотезой, требующей отдельной проверки.
Аналогичная химическая модификация обнаружена не только у Pseudomonas aeruginosa, но и у Acinetobacter baumannii и резуховидки Таля. Исследователи планируют выяснить, насколько широко AvaS и похожие ферменты распространены среди живых организмов и можно ли вмешиваться в такую настройку тРНК. Потенциально механизм может предложить новые подходы к воздействию на болезнетворные бактерии. Однако пока работа описывает фундаментальную биохимию.
