Бактериофаг с капсидом правильной икосаэдрической формы, сидящим на хвосте с ножками, стал негласным символом вирусологии . На самом деле икосаэдрические капсиды разных вирусов могут быть устроены по-разному. Сложность таких капсидов характеризует величина, известная как число триангуляции (Т) — число мономеров капсидного белка, которые входят в состав одного капсомера (элементарной структурной единицы капсида). Фаги P23-45 и P74-26, паразитирующие на бактерии Thermus thermophilus, имеют капсиды типа Т=7. Геномы других фагов, имеющих капсиды такого типа, значительно короче геномов P23-45 и P74-26, но даже у них ДНК в капсиде упакована с почти кристаллической плотностью. Как же P23-45 и P74-26 удается упаковывать в капсидах с T=7 ДНК почти вдвое большего размера?

Подробности устройства и жизни бактериофагов «Биомолекула» описывала в статье «Пожиратели бактерий: убийцы в роли спасителей» [1]

Чтобы ответить на этот вопрос, две научные группы — Массачусетского технологического института (MIT) [2] и Сколковского института науки и технологий (совместно с исследователями из Великобритании и США) [3] — изучили строение капсидов P23-45 и P74-26 с помощью криоэлектронной микроскопии. Кроме того, ученые из второй группы также исследовали процесс упаковки ДНК в капсиды в условиях in vitro.

Фаг P23-45 стал объектом исследования группы ученых из Сколтеха и их коллабораторов из Великобритании и США [3]. С помощью криоэлектронной микроскопии они показали, что в зараженных клетках Thermus thermophilus присутствуют капсиды двух типов: сферические с толстыми зазубренными стенками (прокапсиды) и более крупные икосаэдрические с T=7 (рис. 1 и видео 1), которые преимущественно и содержат вирусную геномную ДНК (некоторые из них пусты, но имеют такой же размер, что и капсиды, заполненные ДНК).

Одна структурная единица икосаэдрического капсида (капсомер) асимметрична и содержит семь копий главного белка капсида (major capsid protein, MCP). Оказалось, что у фага P23-45 по сравнению с другими фагами, имеющими капсиды с T=7, почти на четверть увеличены зазоры между капсомерами. Более того, его капсомеры сами по себе крупнее благодаря вставкам, увеличивающим размер MCP. Эта же особенность, как оказалось, присуща и фагу P74-26, который исследовали ученые из MIT [2]. Его MCP, в частности, имеет очень длинный N-концевой участок, из-за чего капсомеры становятся крупнее, а капсид в целом — больше и вместительнее. Стоит отметить, что фаги P23-45 и P74-26 стали первыми, для которых показали, что в основе увеличения вместительности капсида лежит именно увеличение размеров отдельных капсомеров. Другие вирусы увеличивают размер капсидов за счет увеличения числа триангуляции или «вытягивания» капсида из правильной икосаэдрической в продолговатую форму.

Стабильность капсида P74-26, судя по всему, дополнительно усилена разнообразными выпетливающимися участками белковых субъединиц. Переплетаясь и взаимодействуя друг с другом, они делают капсид более устойчивым к механическим нагрузкам, например, натяжению.

А как у этих вирусов обстоит дело с упаковкой ДНК? Пока что смоделировать процесс упаковки ДНК в капсид in vitro удалось только для P23-45 [3]. Вообще говоря, для проникновения ДНК в капсид необходима специальная пора, которую формирует портальный белок, вставленный в белковую стенку капсида (видео 2). На него садится фермент терминаза, которая за счет гидролиза АТФ протягивает ДНК внутрь капсида, достигая при этом впечатляющей скорости — до двух тысяч нуклеотидов в секунду. Терминаза P23-45 может функционировать в широком диапазоне температур — от 20 до 70 °C, — однако эффективнее всего она работает при 50–65 °C. У P23-45 портальный белок представляет собой олигомер из 12 субъединиц, взаимодействия между которыми усилены за счет дополнительных водородных связей и солевых мостиков, которые и делают белок термостабильным.

Оказалось, что конформация портального комплекса зрелых икосаэдрических капсидов и сферических капсидов различается, чем, вероятно, и обусловлены их различия в способности к упаковке ДНК (к слову, в условиях in vitro изредка ДНК упаковывается и в прокапсиды). Более того, капсид непосредственно влияет на работу портального белка, изменяя его способность к взаимодействию с терминазой.

Помимо очевидного преимущества большого капсида — способности к упаковке более длинной ДНК — у термостабильных вирусов он может обеспечивать дополнительный уровень защиты генетического материала, который необходим в условиях высоких температур: большой капсид сам по себе более стабилен, и кроме того, его способность к плотной упаковке ДНК минимизирует ее контакт с неблагоприятной внешней средой.

Изучение термостабильных вирусов интересно не только с точки зрения фундаментальной науки: термостабильная АТФаза, загружающая ДНК в капсид, может найти применение в биотехнологических разработках, требующих высокоточной ферментативной активности при высоких температурах.

Литература

1. Пожиратели бактерий: убийцы в роли спасителей;
2. Stone N., Demo G., Agnello E., Kelch B.A. (2019). Principles for enhancing virus capsid capacity and stability from a thermophilic virus capsid structure. bioRxiv;
3. Oliver W. Bayfield, Evgeny Klimuk, Dennis C. Winkler, Emma L. Hesketh, Maria Chechik, et. al.. (2019). Cryo-EM structure and in vitro DNA packaging of a thermophilic virus with supersized T=7 capsids. Proc Natl Acad Sci USA. 201813204.