Узлы и петли иммунодефицита

Расшифрована объемная структура ВИЧ-1

Вместо пробелов, абзацев и знаков препинания, разделяющих текст и определяющих смысл прочитанного, вирус иммунодефицита человека использует «петли и узлы», в которые складывается и скручивается его РНК. С помощью нового метода анализа SHAPE ученым удалось впервые запечатлеть объемную структуру вируса целиком.

В длину 3,5 миллиарда пар оснований нашего генома составляют примерно 1 метр. Если бы не хромосомы, в которые упакована двуспиральная цепочка, то быстро найти нужный участок было бы не так просто. При этом размер молекул, «обслуживающих» ДНК, составляет несколько нанометров, так что даже самые маленькие складочки оказывают влияние на работу этого аппарата.

Вторичная структура мРНК

В отличие от ДНК, вторичная структура которой основана на межмолекулярных взаимодействиях (двойная спираль ДНК образована двумя линейными молекулами, соединенными друг с другом по всей длине водородными связями), вторичная структура мРНК основана на внутримолекулярных взаимодействиях (линейная молекула «складывается», и водородные связи возникают между разными участками одной и той же молекулы).

Примерами вторичной структуры могут служить стебель-петля и псевдоузел.

Вторичные структуры в мРНК служат для регуляции трансляции. Например, вставка в белки необычных аминокислот, селенометионина и пирролизина, зависит от стебля-петли, расположенной в 3' нетранслируемой области. Псевдоузлы служат для программированного изменения рамки считывания генов.

В вирусных мРНК сложные вторичные структуры (IRES) направляют трансляцию, не зависящую от узнавания кэпа и факторов инициации трансляции.

Неудивительно, что за добрый миллиард лет существования жизни биополимеры научились использовать не только содержание, но и форму: объемная структура ДНК и белков играет не меньшую роль, чем сами последовательности нуклеотидов или аминокислот.

ВИЧ в этом плане не исключение: Кевин Уикс из университета Северной Каролины и его коллеги

сумели воссоздать трехмерную структуру генома вируса и показать, как она влияет на его воспроизведение.

Как и в случае других биополимеров, РНК вируса иммунодефицита человека представлена не просто нитью — в ней всегда можно найти своеобразные «петли» и «шпильки», удерживаемые слабыми, не ковалентными, связями. Первая особенность этих связей в том, что они образуются на уже готовой ниточке полимера и их появление зависит от последовательности нуклеотидов. Вторая — они гораздо слабее тех, которые скрепляют нуклеотиды воедино, так что при небольшом повышении температуры или солености раствора они разрушаются, но обратимо: если первичная структура (последовательность) сохранена, то они вновь восстановятся.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2925165",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_3233696_i_2"
}

В случае РНК эти «петли и шпильки» чуть ли не более функциональны, чем для ДНК — именно они обеспечивают разнообразие функций, казалось бы, одинаковых молекул — транспортная РНК — в виде «самолетиков» — переносит аминокислоты, рибосомальная — в виде «шариков» — обеспечивает синтез белка,

вирусная РНК, «впрыскиваемая» в клетку, с помощью этих петель активно регулирует воспроизведение наследственной информации.

Как и у других ретровирусов, РНК ВИЧ «положительна» — то есть сразу после проникновения в цитоплазму клетки с неё начинается считывание вирусных белков. Оно подчиняется основному закону молекулярной биологии — каждому триплету (кодону) нуклеотидов соответствует одна аминокислота, но не без исключений.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2882634",
    "incutNum": 3,
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3233696_i_3"
}

Про- и эукариоты используют для этой цели матричную РНК, обладающую характерными «метками» — старт- и стоп-кодонами, обозначающими место начала и окончания считывания соответственно. Вирусы для этой цели используют и упомянутые вторичные структуры — «стебель-петли» и «псевдоузлы».

Эти же структуры применяются для сдвига так называемой рамки считывания — поскольку РНК «читается» по три нуклеотида, то исключение одного или двух приведет к тому, что вся последовательность за ним будет иметь совершенно другой смысл. ВИЧ добивается этого, изменяя количество нуклеотидов в упомянутых петлях, которые не останавливают синтез белка, но изменяют смысл прочитанного.

В последнее время восстановление объемной структуры стало задачей скорей теоретической, нежели приборной.

Ученые сначала прочитывают последовательность, а потом рассчитывают возможные объемные модели. Проблема в том, что при этом получается несколько равновероятных вариантов, и определить, какой из них существует на самом деле, без реальной картинки абсолютно невозможно.

Авторы публикации в Nature сумели взглянуть на геном ВИЧ с высоты птичьего полета.

Предложенный ими метод обладает меньшей разрешающей способностью, нежели обычно используемая для этих целей ЯМР-спектроскопия или рентгеновская кристаллография (с помощью которой и были получены данные о двуспиральности ДНК).

Зато с помощью SHAPE (selective 2-hydroxyl acylation analysed by primer extension — избирательное ацилирование по гидроксильной группе, анализируемое методом достройки праймера) Уикс и соавторы сумели «объять» геном ВИЧ целиком. Благо 80% его объемной структуры до сегодняшнего дня были неизвестны.

Суть метода в том, что добавляемый реактив (который потом и обнаруживается) связывается лишь со свободными (не входящими в состав петель и узлов) нуклеотидами.

Ученые проанализировали таким образом все 9 173 нуклеотида, составляющие геном ВИЧ-1.

Для специалистов по структурной биологии эта работа явится демонстрацией нового, очень мощного метода объемного анализа, а вирусологам даст немало новой информации о том, какими уловками пользуется ВИЧ, задействуя внутриклеточный аппарат хозяина.