Как бактерии хранят информацию для уничтожения вирусов (но не себя)
CRISPR, известный как инструмент для лечения генетических заболеваний у людей, изначально является частью иммунной системы бактерий для борьбы с вирусами.
В бактериях система CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) работает, захватывая небольшие фрагменты ДНК заражающих вирусов и сохраняя их в собственных генах бактерий. Эти фрагменты, называемые спейсерами, копируются и образуют "метки", которые крепятся к белкам. Эти белки ищут совпадающие участки ДНК и, найдя их, распознают как вирус и уничтожают.
Исследование, опубликованное в Current Biology учёными из Университета Пенсильвании, показывает, что риск аутоиммунитета играет ключевую роль в том, как CRISPR хранит вирусную информацию. Он определяет, сколько спейсеров бактерии хранят в своих генах и какой они длины.
В идеале спейсер должен совпадать только с ДНК вируса. Однако существует небольшая статистическая вероятность, что он совпадёт с участком ДНК самой бактерии, что может привести к гибели от аутоиммунного ответа.
"Адаптивная иммунная система у позвоночных может вызывать аутоиммунные нарушения. Это очень серьёзно и опасно, но люди не особо задумывались об этом применительно к бактериям", — говорит ведущий исследователь Виджай Баласубраманян.
Это создаёт эволюционную дилемму. Больше спейсеров — больше информации и защита от большего числа вирусов, но и выше риск аутоиммунной реакции.
Исследователи поняли, что бактерии могут обойти эту проблему, увеличивая длину спейсеров. Более длинный спейсер, подобно сложному паролю, с меньшей вероятностью случайно совпадёт с ДНК бактерии. Это позволяет иметь больше спейсеров без роста риска.
Учёные построили математическую модель, чтобы рассчитать оптимальное соотношение между длиной спейсера и общим количеством спейсеров, которое бактерия может безопасно хранить.
Затем они проверили предсказания модели на практике, проанализировав CRISPR-ДНК тысяч видов бактерий. Они обнаружили последовательную, чёткую зависимость между длиной спейсера и их количеством.
"Меня удивило, насколько хорошо всё совпало с самого начала. Это очень простая теоретическая модель... Очень и очень редко что-то настолько простое так хорошо соответствует данным", — отмечает Баласубраманян.
Успех модели показывает, что подобный подход, основанный на простых математических компромиссах, может быть применим и к более сложным системам, например, к иммунитету позвоночных, включая человека.
Это исследование — одно из первых, описывающих важность аутоиммунного ответа у бактерий. Учёные надеются, что будущие исследования CRISPR будут учитывать этот риск.
Дальнейшая работа группы будет направлена на изучение того, как CRISPR хранит информацию в ответ на эволюционирующие вирусы. Эта работа закладывает основу для более широкого понимания иммунитета, что может дать ключ к пониманию таких вирусов, как сезонный грипп или новые варианты SARS-CoV-2.
"Все это — части одной большой головоломки", — заключает Баласубраманян.