Zašto neki bakterijski geni imaju visok sadržaj purina?

U proučavanju bakterija, dugogodišnja dogma smatrala je da dva molekularna stroja - RNK polimeraza, koja prednjači u transkripciji DNK u RNK, i ribosomi, koji dovode stražnji dio prevođenja RNK u proteine ​​- rade tako blisko u tandemu da su učinkovito povezani.

Smatralo se da je ova bliska povezanost transkripcije i translacije u bakterijama temeljna za ekspresiju gena dijelom i zato što prateći ribosom može zaštititi novonastale genske produkte od učinkovitog i sveprisutnog proteina kontrole kvalitete zvanog Rho.

Međutim, kod bakterija koje pokazuju nešto što se naziva nekontrolirana transkripcija, polimeraza umjesto toga juri naprijed, otkačena od svog zaštitnog ribosoma. Neobjašnjivo je, međutim, kod bakterija koje pokazuju ovu nekontroliranu transkripciju, poput Bacillus subtilis, Rho ciljao prvenstveno nekodirajuće, beskorisne RNK produkte.

Novo istraživanje Odjela za biologiju MIT-a, otkriva da tajna Rhoove specifičnosti u kontroli kvalitete leži u sastavu sekvenci nukleotidnih baza koje čine kodirajuće lance DNK.

„Počeli smo s hipotezom da je Rho reguliran sekvencom, ali činjenica da je sama sekvenca bila dovoljna da zaštiti bilo koji gen u cijelom  genomu B. subtilis od Rhoa bila je zaista iznenađujuća“, kaže Julia Dierksheide, doktorica znanosti i prva autorica rada  nedavno objavljenog u Nature Microbiology. „To je zaista raznolik raspon sekvenci - koju značajku sekvence dijeli svaki pojedini gen u genomu?“

Rho služi kao faktor terminacije, što znači da je ključni mehanizam za sprječavanje bakterija da troše dragocjene resurse stvaranjem RNK transkripata koji nemaju nikakvu svrhu.

Sve informacije koje su potrebne bakterijskoj stanici kodirane su u njezinoj DNK, koja se sastoji od dva lanca nukleinskih kiselina. Ti se lanci uvijaju zajedno i tvore dvostruku spiralu, s genetskim informacijama kodiranim u parovima baza: purini gvanin i adenin upareni su s pirimidinima citozinom i timinom. Bilo koji slijed koji uzrokuje RNK transkripte pohranjen je u komplementu paralelnom, nekodirajućem lancu, što znači da je veliki dio genetskog materijala transkripcijski beskoristan.

Poznato je da kodirajući lanci DNK u određenim bakterijama imaju značajno veći udio purina gvanina i adenina u usporedbi s ostatkom bakterijskog genoma. Istraživači su otkrili da sama ta pristranost purina štiti produktivne transkripte mRNA od Rho-posredovane terminacije.

„Volim imati veliki, komplicirani skup podataka i pokušavati ga svesti na biološko značenje“, kaže Dierksheide. „Čini se da je sam Rho uvelike oblikovao evoluciju genoma  B. subtilis kako bi stvorio ove pristranosti u sastavu sekvenci.“

Bakterijske vrste koje su tijekom generacija izgubile Rho više ne pokazuju ovu snažnu pristranost prema purinu. Rho također služi kao regulatorni faktor u pokretanju bakterija, stvaranju biofilmova ili sporulaciji, što je sve ključno za biologiju i preživljavanje. Purinska pristranost također bi mogla pružiti sloj zaštite od umetanja strane DNA, na primjer kada virusni bakteriofag inficira bakterije.

„Bakterije postoje kao pojedinačne stanice, tako da sve što rade, moraju učiniti putem ekspresije gena“, kaže Dierksheide. „Razumijevanje temeljnih detalja o tome kako funkcionira ekspresija gena, kako stanica kodira sve informacije koje su joj potrebne za preživljavanje u nukleotidnom slijedu genoma, zaista je uzbudljivo.“

Iako točan mehanizam koji leži u osnovi Rhoove specifičnosti ostaje nejasan, ovi rezultati razbijaju temeljni kod u sastavu bakterijskih genoma.

Dierksheide je rekla da se nada da će provesti slično ispitivanje kako bi okarakterizirala Rho-ovu specifičnost u  Escherichia coli, koja se odvojila od B. subtilis na evolucijskom stablu prije otprilike 2 milijarde godina i još uvijek pokazuje spregnutu transkripciju-translaciju, gdje transkribirajuću RNK polimerazu usko prati translirajući ribosom.

Visoka specifičnost sekvence B. subtilis Rho ključna je za zaštitu njegove nekontrolirane RNK polimeraze, u kojoj taj molekularni stroj juri ispred ribosoma. Sustavna usporedba s  E. coli  Rho mogla bi pomoći u otkrivanju kako je nastala ta pojačana strogost.

Ove informacije bit će ključne za inženjering različitih bakterijskih vrsta za primjene, uključujući proizvodnju terapijskih sredstava. Druge bakterijske vrste, poput B. subtilis, mogle bi biti bolji modeli za ovaj proces jer imaju obilne putove sekrecije, prema Dierksheideu, što znatno olakšava proizvodnju i izolaciju proteina u velikim količinama.