Computational Evidence that Array-Associated Reverse Transcriptase Loci Are Retron Systems with Multiple ncRNA Genes

Het leven op aarde is een constante onderhandeling tussen genetische indringers en de organismen die ze proberen te infecteren. Bacteriën en de virussen die hen jagen, bekend als fagen, zijn al miljarden jaren verwikkeld in een evolutionaire wapenwedloop. Om te overleven, hebben bacteriën geavanceerde verdedigingssystemen ontwikkeld, waarvan sommige vertrouwen op een speciaal type enzym genaamd reverse transcriptase. Dit enzym werkt als een moleculaire fotokopieermachine, maar in plaats van DNA naar meer DNA te kopiëren, leest het RNA om een uniek hybride molecuul te maken dat uit zowel RNA als DNA bestaat. In veel bekende bacteriële verdedigingssystemen wordt dit proces beheerd door een duo: het enzym en een specifieke RNA-gids die het vertelt wat het moet kopiëren. Recentelijk ontdekten wetenschappers een vreemde nieuwe familie van deze enzymen in bacteriofagen, maar hun doel en werking bleven een mysterie.

Een nieuwe studie door Yuzhen Ye aan de Indiana University Bloomington biedt een nieuw perspectief op deze mysterieuze systemen, en suggereert dat ze niet geheel nieuwe uitvindingen zijn, maar eerder een vreemde variatie op de bekende verdedigingsinstrumenten. De onderzoekers richtten zich op een groep enzymen die array-geassocieerde reverse transcriptases, of ART's, worden genoemd. Deze werden voor het eerst opgemerkt in de genomen van bacteriofagen, waar ze naast lange, herhalende stukken DNA liggen die enigszins lijken op de verdedigingsarrays die bacteriën gebruiken om eerdere infecties te onthouden. De initiële ontdekking beschreef deze als een nieuw type, maar de nieuwe analyse suggereert een ander verhaal. Door computerprogramma's te gebruiken om de genetische code te onderzoeken en te voorspellen hoe de RNA-moleculen in driedimensionale vormen vouwen, stelt de studie voor dat deze ART-systemen eigenlijk een uniek type van het bekende verdedigingssysteem zijn, gekenmerkt door het hebben van vele kopieën van de RNA-gids gerangschikt in een rij in plaats van slechts één.

Het onderzoek begon met het nauwkeurig bekijken van de genetische buurten waar deze enzymen leven. De onderzoekers analyseerden de genomen van verschillende bacteriofagen en een stukje omgevings-DNA uit de bodem, op zoek naar de specifieke genetische handtekeningen van de bekende verdedigingssystemen. Ze vonden dat de enzymen in kwestie het meest lijken op de reverse transcriptases die in standaard bacteriële verdedigingssystemen worden gevonden, in plaats van op elk ander type enzym. Deze gelijkenis was sterk genoeg om te suggereren dat ze tot dezelfde familie behoren. De echte verrassing kwam echter toen het team naar het DNA keek dat deze enzymen omringt. In plaats van een enkel RNA-gen naast het enzym te vinden, zoals gebruikelijk is, vonden ze lange arrays met meerdere kopieën van RNA-genen. In één virus waren er vijf kopieën, in een ander zeven, en in een stukje bodem-DNA waren er maar liefst veertien.

Op het eerste gezicht zagen deze herhalende RNA-sequenties er erg verschillend uit van elkaar, vergelijkbaar met een rij huizen die in verschillende kleuren zijn geschilderd en verschillende raamstijlen hebben. Als je alleen naar de letters van de genetische code zou kijken, waren de verschillen aanzienlijk. Echter, de onderzoekers gebruikten computermodellen om te voorspellen hoe deze RNA-strengen fysieke vormen zouden aannemen. Wanneer zij deze voorspelde structuren onderzochten, kwam er een duidelijk patroon aan het licht. Ondanks de verschillen in hun genetische letters, vouwden de RNA-moleculen zich allemaal in vergelijkbare vormen. Cruciaal was dat ze allemaal specifieke structurele kenmerken behielden die bekend staan als essentieel voor de werking van het verdedigingssysteem, zoals een specifieke lus die een belangrijk startpunt voor het enzym vasthoudt en andere stabiele regio's die het enzym helpen het RNA te herkennen.

Deze bevinding daagt het idee uit dat deze systemen een volledig nieuw type verdedigingsmechanisme zijn. De initiële ontdekking had opgemerkt dat de herhalende eenheden leken op de arrays die bacteriën gebruiken om herinneringen aan eerdere virale aanvallen op te slaan, wat leidde tot de hypothese dat dit een nieuw soort systeem was. De nieuwe studie suggereert dat de gelijkenis met die geheugenarrays oppervlakkig is. De herhalende eenheden zijn geen identieke kopieën van een geheugen, maar een reeks verwante RNA-genen die in de loop van de tijd zijn gedivergeerd. Ze zien er aan de oppervlakte anders uit, maar delen hetzelfde onderliggende blauwdruk, net als een familie van gereedschappen die zijn aangepast voor verschillende taken maar nog steeds dezelfde kernmechanisme delen. De onderzoekers ontdekten dat de belangrijkste delen van de structuur, de delen waar het enzym zich aan moet vastgrijpen en gebruiken, geconserveerd bleven over alle kopieën heen, zelfs terwijl de rest van de sequentie veranderde.

De studie beweert niet het volledige mysterie van wat deze systemen doen te hebben opgelost. De onderzoekers benadrukken dat hun conclusies gebaseerd zijn op computeranalyse van genetische sequenties en voorspelde vormen, en niet op directe laboratoriumexperimenten. Ze suggereren dat deze systemen waarschijnlijk een ongewone architectuur vertegenwoordigen waarbij een enkel enzym wordt gekoppeld aan een tandem-array van meerdere RNA-gidsen. Deze opstelling zou de virus in staat stellen om een verscheidenheid aan verdedigingsproducten te produceren vanuit een enkel enzym, of het zou een manier kunnen zijn om zijn verdediging te diversifiëren tegen verschillende dreigingen. Het is ook mogelijk dat sommige van deze RNA-kopieën niet-functionele overblijfselen zijn van een evolutionair verleden. De auteur merkt op dat om te bevestigen hoe deze systemen werken, wetenschappers deze virussen in het lab moeten kweken, de moleculen moeten extraheren en het enzym in actie moeten zien om te zien of het de verwachte hybride moleculen produceert.

Uiteindelijk herkadert dit werk ons begrip van een onlangs ontdekt biologisch systeem. Het suggereert dat wat leek op een nieuw en onkarakteriseerd type enzym, eigenlijk een variatie is op een bekende verdedigingsstrategie, een strategie die geëvolueerd is om meerdere RNA-gidsen in een enkele genetische cluster te dragen. De studie benadrukt hoe computeranalyse verborgen connecties kan onthullen tussen genetische sequenties die er aan de oppervlakte verschillend uitzien, maar een gemeenschappelijke structurele logica delen. Hoewel het exacte biologische voordeel van het hebben van zoveel RNA-kopieën onbekend blijft, wijst het bewijs op een systeem dat diep geworteld is in de bestaande gereedschapskist van bacteriële verdediging, hergebruikt en uitgebreid op een manier die zowel verrassend als elegant is. De volgende stap voor de wetenschappelijke gemeenschap is om van deze computationele voorspellingen naar experimenteel bewijs te gaan, om te zien of deze genetische blauwdrukken vertalen naar de complexe moleculaire machinerie die ze lijken te zijn.