Бактерии вызывают множество серьезных заболеваний, от пищевого отравления до пневмонии. Проблема для ученых заключается в том, что болезнетворные бактерии чрезвычайно устойчивы. Например, когда такие бактерии, как Escherichia coli (E. coli), голодают, они в значительной степени реорганизуют свою бактериальную ДНК, что позволяет им выживать в стрессовых условиях.
Для достижения этой цели и повышения своих шансов на выживание штаммы кишечной палочки резко увеличивают количество белка, называемого Dps, который уплотняет бактериальную ДНК в плотный кристаллоподобный комплекс и защищает ее от разрушения. поврежден. В то время как предыдущие исследования показали, что именно Dps защищает бактерии от гибели от голода и других стрессоров, исследователи не знали, как работает этот особый белок.
В новой статье, опубликованной в журнале Cell, Энн Мейер, адъюнкт-профессор биологии Рочестерского университета, вместе с Элио Аббонданзиери, научным сотрудником, и другими коллегами, описывают некоторые уникальные характеристики Dps, которые помогают бактерии выживают в стрессовых условиях. Их исследования могут помочь разработать более целенаправленные антибиотики и другие лекарственные препараты.
Рецепты внутри ячеек
Представьте, что каждая из нитей ДНК в ваших клетках представляет собой индивидуальный рецепт. Чтобы сделать волосы, вы должны вытащить карту рецептов волос. Чтобы переварить пищу, вы должны следовать карточке рецепта пищеварения и выражать ген «ингредиенты» в этом рецепте. Однако, когда вы готовите, вы не хотите, чтобы все ваши рецепты были на кухне одновременно, поэтому вы защищаете их, храня их в коробке с рецептами и доставая те, которые вам нужны в данный момент.
Клетки высших организмов, таких как растения и животные, не содержат Dps. Тем не менее, по словам Аббонданциери, они делают нечто подобное. «Они упаковывают и сжимают части своего генома, когда они им не нужны, как рецепты, хранящиеся в коробке. Уплотнение может помочь защитить ДНК от повреждений, потому что ДНК «изолирована» от остальной части цитоплазмы».
Всякий раз, когда ДНК уплотняется в высших организмах, уплотненные гены с меньшей вероятностью будут экспрессироваться. Исследователи думали, что они увидят тот же эффект в бактериях, низших организмах, когда бактериальная ДНК уплотняется Dps.
«Поскольку мы знаем, что Dps уплотняет бактериальную ДНК, мы подумали, что вполне вероятно, что это уплотнение вызовет большие изменения в экспрессируемых генах», - говорит Мейер.
"Но мы этого не видим."
Неожиданный результат
В то время как Dps уплотняли бактериальную ДНК, это уплотнение не оказывало никакого влияния на экспрессию генов. Фермент, который экспрессирует или транскрибирует гены - РНК-полимераза (РНКП) - был способен связываться с ДНК и одинаково экспрессировать гены независимо от того, была ли ДНК конденсирована Dps во время стресса.
«Бактерии отличаются от того, что мы видели у высших организмов, потому что их «рецепты» все еще можно прочитать, даже если они находятся в коробке с рецептами», - говорит Мейер. «То есть они все еще могут быть экспрессированы, даже когда они уплотнены и защищены. E. coli - первый пример бактерии, у которой мы видим сильное уплотнение без изменения экспрессии генов».
Какова же тогда основная роль Dps, если экспрессия генов сохраняется независимо от того, уплотнена ли бактериальная ДНК или нет?
Исследователи заметили, что хотя РНКП все еще имеет полный доступ к ДНК, сжатой с помощью Dps, другие белки, которые могут разрезать и повреждать ДНК, полностью заблокированы. Поэтому они предполагают, что Dps может конденсировать бактериальную ДНК, чтобы защитить ДНК от разрушения или мутации, в то же время позволяя бактериям экспрессировать гены, которые помогают им бороться со стрессовыми условиями.
В этом случае защитное действие Dps дополнительно усиливается за счет локализованных эффектов, когда он связывается с ДНК. Например, Dps может нейтрализовать железо, элемент, вызывающий обширные повреждения ДНК.
Таргетические антибиотики и медикаментозная терапия
Признание эффектов Dps может привести к разработке более целенаправленных антибиотиков.
«Многие патогенные бактерии, в том числе вызывающие пищевые отравления, инфекции мочевыводящих путей и болезнь Крона, полагаются на Dps, чтобы выжить в своих хозяевах», - говорит Мейер. «Наше исследование показывает, что если вы хотите нацелить действие Dps, вам нужно напрямую заблокировать связывание его ДНК или окисление железа».
Мейер также отмечает, что исследование потенциально может привести к радикально новым методам лечения, использующим Dps в качестве щита для защиты ДНК человека в условиях высокого стресса, например, в районах с высоким уровнем радиации.
Можно ли использовать Dps у людей или других высших организмов для защиты ДНК, позволяя ей выполнять другие свои функции?
Говорит Мейер: «Понятия не имею, сработает ли это, но думаю, было бы очень интересно попробовать в лабораторных условиях».