Бактериальные адаптивные системы защиты могут помочь в профилактике заболеваний

Бактерии обладают сложной системой защиты, и она им необходима: вирусов, заражающих бактерии, больше, чем любых других биологических объектов.

Два эксперимента, проведённые в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, дают новое представление о работе бактериальной адаптивной защиты в системе CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat).

Эта часть иммунной системы бактерий действует как хранитель записей: она фиксирует идентичность атакующих вирусов и сохраняет эту информацию, интегрируя фрагменты ДНК вируса в собственную ДНК бактерии. Таким образом, CRISPR хранит генетические записи о ранее встреченных вирусах, что позволяет иммунной системе бактерий эффективнее отправлять комплексы, которые уничтожают вирусных захватчиков, идентифицируя и разрезая узнанные последовательности ДНК.

Исследования, опубликованные в прошлом году в журнале Science, не только раскрывают важную информацию о том, как бактерии отражают атаки вирусов, но и потенциально могут улучшить профилактику заболеваний у людей. Учёные сейчас изучают способы предотвращения и лечения муковисцидоза, заболеваний крови и ВИЧ, используя систему CRISPR для замены одной версии гена на другую или добавления рабочей копии мутировавшего гена.

Учёные изучали один конкретный CRISPR-ассоциированный комплекс под названием Cascade, используя яркие рентгеновские лучи на Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) в SLAC. У бактерии Escherichia coli 11 белков собираются вместе с РНК-гидом, который помогает Cascade нацеливаться на вторгающиеся последовательности ДНК. Как только Cascade подтверждает, что целевая ДНК принадлежит захватчику, молекулярный сигнал привлекает нуклеазу Cas3, чтобы уничтожить его, "пережёвывая" ДНК.

Предыдущая работа Блейка Виденхефта, доцента микробиологии и иммунологии Университета штата Монтана, руководившего одним из исследований, и его коллег раскрыла архитектуру Cascade в форме морского конька. Однако исследования, проведённые на SSRL, теперь показывают, как все части этой машины собираются в функциональный комплекс-разведчик, который патрулирует внутриклеточную среду в поисках чужеродной ДНК.

"Определение высокоразрешающих структур больших макромолекул остаётся сложной задачей, — сказал Виденхефт. — Несколько технических аспектов SSRL, включая интенсивность света, возможность фокусировки луча и детектор рентгеновского излучения без затвора, сделали эти результаты возможными".

Исследования также показали, что РНК-гид Cascade не скручивается с вирусной ДНК в спираль, как ожидалось. Вместо этого они образуют недоскрученную ленточную структуру.

"Высокоразрешающая структура — это, по сути, молекулярный чертёж биологической машины, — сказал Виденхефт. — Определение структуры этого комплекса является техническим достижением, которое даёт первое молекулярное объяснение того, как все части собираются в функциональную машину наблюдения".