Как бактериальная клетка распознает собственную ДНК
Бактерии обладают иммунной системой для борьбы с вирусами-бактериофагами. Первая задача этой системы — отличить «чужую» ДНК от «своей». Исследователи из Института Вейцмана и Тель-Авивского университета раскрыли механизм этого распознавания. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Иммунная память CRISPR
CRISPR — это адаптивная иммунная система бактерий. Она «запоминает» инфекцию, встраивая короткие последовательности из ДНК вторгшегося вируса (фага) в бактериальный геном. При последующих атаках CRISPR использует эти записи для создания направляющих РНК, которые нацеливают белки на уничтожение родственной ДНК фага.
Ключевая проблема — избежать аутоиммунной реакции. Ошибочный захват фрагментов собственной ДНК бактерии может привести к фатальным последствиям. При этом собственной ДНК в клетке примерно в 100 раз больше, чем чужой.
Механизм распознавания
Ученые исследовали процесс с помощью плазмид (коротких кольцевых ДНК, имитирующих вирусы) и бактерий, имеющих белки Cas1 и Cas2, ответственные за захват чужой ДНК в системе CRISPR. Было зафиксировано около 38 миллионов событий «иммунизации».
Было обнаружено, что система CRISPR, используя белки Cas1 и Cas2, целенаправленно идентифицирует ДНК, которая реплицируется очень быстро. Таким образом, стратегия выживания фага — безудержное размножение — становится его ахиллесовой пятой.
Однако этого было недостаточно для полного объяснения дифференциации.
Роль репарации ДНК и Chi-сайтов
Решение пришло с пониманием процесса репарации ДНК. Во время репликации в ДНК часто возникают небольшие разрывы. На их «ремонт» приходит фермент, который «обгрызает» концы разорванной ДНК. Ученые выяснили, что именно эти «обгрызенные» фрагменты (остатки репарации) и служат источником вирусной ДНК для пополнения иммунной памяти CRISPR.
Но когда этот ремонтный фермент встречает короткую последовательность, называемую Chi-сайтом, он прекращает «обгрызание». Такие Chi-последовательности очень часто встречаются в бактериальном геноме, но редко — в вирусном. Таким образом, Chi-сайты служат маркерами «своего»: их присутствие блокирует активность CRISPR-машины, а их отсутствие позволяет ей использовать фрагменты ДНК фага.
Двойная проверка
Иммунная система бактерий использует нормальные процессы репликации и репарации ДНК, чтобы идентифицировать ДНК фага, проверяя ее по двум фундаментальным признакам, отличающимся от «своего» генома:
- Высокая скорость репликации.
- Отсутствие Chi-сайтов.
Через активность белков Cas1 и Cas2 система обеспечивает добавление в иммунную «память» исключительно чужой ДНК.
Значение открытия
Проф. Ротем Сорек: «Решение загадки "своего" и "чужого" для бактериальной иммунной системы дает нам важное представление о невидимом противостоянии, которое происходит повсюду вокруг нас все время».
Проф. Уди Кимрон: «Бактериальное решение для избегания аутоиммунитета может быть использовано в будущих клинических применениях, использующих систему CRISPR».